Аяз Азатович Хамидуллин, 17 лет, город Уфа, Республика Башкортостан, Российская Федерация
Что дадут нанотехнологии авиации?
Иллюстрации на сайт участником не закачаны. Отображение не гарантируется. (Прим. Модератора)
Оглавление
1. Введение
2. Основная часть:
2.2. История открытия наноматериалов
2.3. Определение и классификация наноматериалов
2.4. Фуллерены. История открытия фуллеренов
2.5. Графен
2.6. Углеродные нанотрубки
2.7. Нанокомпозиты
3. Практическое применение в модели ракеты
4. Заключение
5. Список литературы
1. Введение
Цель работы: изучить основные виды наноматериалов и их возможное применение в авиапромышленности; выяснить, какое будущее у авиации с массовым применением наноматериалов.
Важным критерием развития авиапромышленности является необходимость облегчения и упрочнения летательных аппаратов, что достигается разработкой новых, более технологичных материалов, имеющих меньшую массу и повышенную прочность. Такими свойствами и обладают рассматриваемые наноматериалы.
Основными задачами использования нанотехнологий в авиастроении является улучшение летных характеристик летательных аппаратов, повышение качества и долговечности, а также снижение выбросов в окружающую среду вредных веществ.
2. Основная часть
2.1. История открытия наноматериалов
В 1959 году Джон Фейнман на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте предположил, что существует возможность перемещения одиночных атомов при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам. В 1974 году физик Н. Танигучи (Япония) ввел термин «нанотехнология», под которым предложил понимать способы создания объектов, размеры которых меньше одного микрометра. Спустя несколько лет были заложены теоретические основы физики наноразмерных объектов - квантовых точек и квантовых проволок. В 1981 году Г. Бинниг и Г. Рорер из филиала IBM в Цюрихе (Швейцария) создали сканирующий туннельный микроскоп, который давал возможность «увидеть» трехмерную картину расположения атомов на поверхности электропроводящих объектов. Мощным толчком в развитии нанотехнологий стало открытие новых углеродных наноматериалов. Ранее было принято считать, что существуют две основные кристаллические аллотропные модификации углерода - графит и алмаз. Однако оказалось, что у углерода имеется еще несколько модификаций, которые обладают уникальными свойствами - фуллерены, углеродные нанотрубки и графен. В 1998 году С. Деккер (Нидерланды) создал транзистор на основе углеродной нанотрубки. Практически сразу же вслед за этим стали появляться публикации о создании аналогичных по конструкции полевых нанотранзисторов. Все это послужило зарождению технологических основ наноэлектроники [1].
2.2. Определение и классификация наноматериалов
Наноматериалы – материалы, созданные с использованием наночастиц и нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами, обусловленные наличием этих частиц в материале.
Нанотехнологию определяют как науку, изучающую использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе (одна миллиардная метра), которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем [4]. Сама по себе эта область мало изучена, хотя человечество и достигла некоторых успехов в создании и эксплуатации наноматериалов.
В настоящее время отсутствует единая терминология и классификация наноматериалов в зависимости от размера частиц, но с недавних пор стали различать геометрическую и физическую размерность наночастиц [4].
Рис.1. Классификация наноматериалов
2.4. Фуллерены. История открытия фуллеренов
В сентябре 1985 года тремя химиками Р. Керлом, Г. Крото и Р. Смолли была открыта новая разновидность углерода C60. Открытие фуллерена произошло в результате экспериментов Смолли и Крото с инструментом, который Смолли изобрел для изучения молекул и атомных кластеров. Крото заинтересовала предложенная Смолли методика лазерного испарения. С ее помощью он намеревался проверить свою теорию о поведении углерода в межзвездном пространстве. Крото считал, что богатые углеродом красные гиганты способны испускать сложные углеродные соединения, которые можно обнаруживать с помощью радиотелескопов.
В результате взрыва графитовой мишени лазерным лучом и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена Сб0. Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые смогли измерить объект размером около 1 нм [5].
Рис. 2. Структура молекулы фуллерена
Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 равен 0,357 нм. Длина связи С - С в пятиугольнике равна 0,143 нм, в шестиугольнике - 0,139 нм [5].
В 1992 году в природном углеродном минерале шунгите были обнаружены природные фуллерены (название «шунгит» произошло от названия села Шуньга в Карелии, где был обнаружен этот минерал). В дальнейшем различные наночастицы и наноструктуры находили в таких природных материалах, как лед и метеориты, и даже на поверхностях обшивки орбитальных станций. Многослойные фуллерены могут присутствовать и во многих технологических углеродных материалах, например саже [2].
Фуллерены способны вступать в химические реакции, ведущие к образованию новых соединений, например, реакции гидрирования и галогенирования. Синтезировано более 3 тысяч новых соединений с новыми свойствами. В этом отношении фуллерены являются уникальным функциональным материалом.
Сферическая форма фуллеренов наряду с их исключительной твердостью позволяют использовать эти наноразмерные шарики в качестве высокоэффективной твердой смазки. Высокими смазочными свойствами обладают также растворы фуллеренов в некоторых органических растворителях, например, толуоле. Добавление фуллеренсодержащей сажи к синтетическим смазочным маслам приводит к снижению коэффициента трения до 0,02. Это свойство позволит увеличить КПД турбовальных двигателей, путем снижения трения в подшипниках и кинематических узлах [1].
Фуллерены по своим уникальным свойствам нашли применение во многих областях человеческой деятельности: электроника, оптоэлектроника, энергетика, медицина, машиностроение.
В машиностроении фуллерены используются в качестве добавок для увеличения антифрикционных и противоизносных свойств. Добавление в микроскопических дозах наноуглеродов в масла, используемые для смазки валов и других трущихся частей в промышленном оборудовании, позволяет добиться значительного увеличения срока их службы. Присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках инициирует на поверхности металла образование защитной фуллерено-полимерной пленки толщиной 100 нм. Эта пленка увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400-500 °C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза.
Фуллерены обладают высокой сорбционной способностью (к поглощению газов, паров или мелкодисперсных веществ), что может найти применение в химической промышленности или при решении различных экологических задач, в особенности для уменьшения выброса отработавших газов летательных аппаратов в атмосферу [2].
2.5. Графен
Графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода, образованную слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp2-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку.
Рис 4. Структура графена
Пленки графена имеют высокую прочность и упругость (не уступают алмазу). Модуль Юнга у них составляет величину порядка 1 ТПа, предел прочности - 130 ГПа. Это превышает аналогичные показатели для стали, у которой модуль Юнга составляет 210 ГПа, а предел прочности - около 600 МПа. О легкости пленок графена дает представление тот факт, что лишь один грамм графена, будучи целостной пленкой, накрыл бы площадь 2600 м - целое футбольное поле.
Несмотря на свою предельно малую толщину (менее 0,5 нм), они являются настолько плотными, что не пропускают сквозь себя даже атомы гелия, способные проникать, например, сквозь фольгу из металла.
Графен почти не поглощает видимый свет, коэффициент его поглощения около 2,3%. При этом коэффициент поглощения света при нормальном падении в широком интервале частот не зависит от частоты. Это означает, что графен практически бесцветен [5].
Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить углеродные волокна в композиционных материалах. Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность. Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей [2].
2.6. Углеродные нанорубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) - это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (рис. 3). Их можно представить как свернутые в трубку одну или несколько плоскостей из графита, заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая имеет форму «половинки» различных фуллеренов. Нанотрубки, в зависимости от длины, содержат от тысячи до миллионов атомов углерода.
УНТ можно представить себе как свернутый в трубку один слой графита. Свертывать его можно лишь в тех направлениях, при которых достигается совмещение гексагональной решетки самой с собой при замыкании цилиндрической поверхности.
Рис. 3. Структура углеродной нанотрубки
У нанотрубок очень высокий предел прочности на разрыв. Вместо того, чтобы рваться или ломаться, УНТ начинает перестраивать свои молекулярные орбитали, приспосабливаясь к новой форме (более удлиненной, сжатой или согнутой) [5].
Области применения УНТ:
- применение в виде сравнительно массивных изделий, когда основные свойства изделия определяются множеством УНТ, входящим в состав изделия;
- применение в миниатюрных изделиях, в которых используются индивидуальные свойства УНТ.
Примеры из первой группы - наполнители из различных композитов (легких, с повышенной прочностью, тепло- и электропроводностью); материалы для химических источников тока, аккумуляторы водорода, катализаторы. Примеры из второй группы - полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, элементы памяти), катоды полевых эмиттеров электронов, зонды для сканирующих и атомно-силовых микроскопов [4].
Одно из важнейших применений УНТ - создание композитных материалов (композитов). В композитах с матрицей любого состава - полимерной и неорганической (например, металл или керамика) - УНТ служат идеальными упрочняющими наполнителями, причем многие показатели получаемых при этом композитов с УНТ могут достигать рекордных значений. Важную роль играет и низкая плотность УНТ, что позволяет создавать легкие композиты. Широкому внедрению УНТ в создание новых композитных материалов пока препятствует сравнительная дороговизна нанотрубок, а также еще нерешенная проблема, связанная с тенденцией нанотрубок образовывать связки, вместо того, чтобы быть равномерно диспергированными по матрице. Кроме того, слабым звеном здесь могут оказаться границы раздела между нанотрубками и матрицей - именно на таких границах зарождаются трещины, распространяющиеся затем по всему образцу и приводящие к его разрушению [2].
Наиболее практично применение вышеперечисленных материалов в качестве армирующего материала в композитах. Такие комбинации получили название нанокомпозиты.
2.7. Нанокомпозиты
Применение композиционных материалов в авиации и космической технике позволяет значительно снизить массу летательных аппаратов, тем самым увеличивая полезную нагрузку, скорость и дальность полета, что создает им особую популярность в конструировании современных самолетов и космических аппаратов[2]. Они представляют собой неоднородную систему, полученную из двух и более компонентов. Один из компонентов – это высокопрочный и высокомодульный материал, называемый армирующим, соединенный с другим материалом – матрицей. По своим качествам многие композиты превосходят любой из своих компонентов или резко отличаются от них [3].
Матрица обеспечивает монолитность, фиксирует форму изделия и взаимное расположение включений композита. В качестве матриц используют полимеры и металлы.
Широкое применение в летательных аппаратах получили пластины из композитов. Они употребляются в качестве панелей обшивок крыла, панелей пола транспортных транспортных воздушных и космических аппаратов [2].
В настоящее время находят применение конструкции с заполнителем. Они состоят из тонких силовых элементов, связанных между собой слоем легкого заполнителя. В качестве заполнителя используют пенопластические массы и различные ребристые конструкции. При использовании заполнителя отпадает необходимость в применении некоторых подкрепляющих элементов, а конструкция при той же прочности облегчается на 25 – 30% в сравнении с металлической.
Из композиционных материалов с металлической матрицей изготавливают лопатки компрессоров в турбореактивных двигателях с экономией массы до 40%. Из графитного композита изготавливают отсеки флюзеляжа самолета.
В нанокомпозиционном материале одна из составляющих его материалов — матрица или наполнитель — имеет размер своих составляющих частей (частиц) менее 100 нанометров. В качестве наполнителя зачастую выступают различные наночастицы как органического, так и неорганического происхождения: углеродные, металлические и оксидные наночастицы, нанотрубки и графеноподобные структуры.
За счет отношения числа атомов на поверхности к числу атомов в объеме наноструктурированной составляющей композита могут существенно поменяться свойства конечного материала. Помимо новых физико-механических свойств, они могут дать улучшенные электрические, термические, оптические, электрохимические и другие свойства.
Физико-механические свойства традиционных композитов наиболее важны для создания крупноразмерных деталей или элементов конструкции, например, для тех же крыльев самолета. Добавление наноструктур в классические композиты может помочь улучшить их свойства. В качестве дополнительных армирующих составляющих в полимерные композиционные материалы добавляют нановолокна, металлические наностержни, углеродные или нитридборные нанотрубки. Наночастицы смешиваются со смолой, и если они равномерно распределятся и не соберутся в агломераты, то могут существенно улучшить физико-механические свойства композита, который станет значительно прочнее. Наноразмерные частицы обладают большой площадью поверхности, что положительно сказывается на их адгезии (силе прилипания) к другим материалам. Даже при нескольких процентах добавки наноразмерных материалов можно получить значительное улучшение физико-механических свойств [6].
Еще одно важное свойство некоторых композиционных материалов – возможность изменять свои характеристики от внешнего воздействия: изменение давления, температуры, подача электрических сигналов. Современные умные материалы изменяют свою форму и даже «залечивают» трещины — самовосстанавливаются после повреждений [6].
Подобные качества должны найти широкое применение в космической промышленности для создания саморазвертывающихся в космосе модулей, поверхностей, которые смогут восстанавливаться после повреждений. Также целесообразно использование умных материалов в гражданской и военной авиации: конструкция частей крыла для возможности его полного регулирования, что улучшит аэродинамику в некоторых режимах полета. Элементы гражданских самолетов тоже могли бы быть адаптируемы, скажем части крыла с изменяемой аэродинамикой: сейчас закрылки могут подниматься и опускаться с помощью механизации, а благодаря умным материалам можно будет масштабно изменять конфигурацию крыла.
3. Практическое применение в модели ракеты
При изготовлении модели ракеты на 8 Российский Чемпионат МГУ «Воздушно-инженерная школа» было опробовано практическое применение композитов.
Ракета представляет собой конструкцию роторного типа, особенностью которой является наличие трехлопастной крыльчатки, которая при вращении действует аналогично ротору вертолета, уменьшая скорость падения. Лопасти ротора модели раскрываются после разделения ступеней и вращаются автоматически под действием воздушного потока, возникающего при падении ступени по окончанию работы двигателя.
Лопасти при замкнутом контуре представляют собой корпус ракеты, после отстреливания спутника разворачиваются и используются для спуска ступени. Лопасти были изготовлены мной из композитных листов, расположенных по форме цилиндра, затем нагревались до температуры затвердения. (На фото лопасти – черного цвета). Такая конструкция выдержала испытания и запуски ракеты в финале Чемпионата.
Рис.4. Фото модели ракеты с лопастями из композитного материала
4. Заключение
Развитие авиапромышленности в сторону уменьшения массы, повышения КПД, прочности и жесткости летательных аппаратов возможно при использовании наноматериалов и нанокомпозитов как основополагающий компонент их конструкции.
Обычные материалы и сплавы многократно уступают наноматериалам на их основе по своим характеристикам, что делает необходимость их применения еще более актуальной для достижения нового уровня в развитии авиации.
На сегодняшний день активно ведется изучение свойств наноматериалов, их возможные применения и способы массового производства. За ними будущее. Будущее для новых технологий и возможностей человечества в целом. Но, к сожалению, мы еще мало знаем в этой области, несмотря на все открытия, поэтому необходимо больше исследований для масштабного внедрения их в промышленность.
5. Список литературы
- В. Смирнов «физические основы нанотехнологий и наноматериалы»
- Ю. М. Климов, Е.А.Самойлов «детали механизмов авиационной и космической техники»
- Шашок, Ж. С. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях
- https://ria.ru/20081203/156376525.html
- https://ru.wikipedia.
- https://postnauka.ru/longreads/99577
| 
