Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Ишимбайский нефтяной колледж
Автор: Сайфутдинов Марат, 16 лет, студент ГАПОУ ИНК группы ЭП1-19
Научный руководитель: Левашова Алла Николаевна, преподаватель физики ГАПОУ ИНК
Нанотехнологии в авиастроении
Содержание
I. Введение
II. Основная часть
1. Нанотехнология с научной точки зрения
2. Наночастицы
3. Новейшие достижения. Наноматериалы
4. Методы исследования
5. Применение нанотехнологии в авиастроении
6. Основные направления использования нанотехнологии в авиации
1) Облегчение конструкции летательного аппарата
2) Аэродинамика
3) Измерительные системы
4) Решение проблемы обледенения
5) Двигатель
6) Добавление наночастиц в авиационное и ракетное топливо
7) Достижения России в нанотехнологической отрасли
7. Как получают наночастицы
III. Проведение эксперимента «получение наночастиц в домашних условиях»
IV. Вывод
Интернет источники
Введение
В России, как и во всем мире,применение нанотехнологий вызывает огромный интерес и набирает все большую весомость.Основная задача применения нанотехнологий в авиастроении - повышение качественных, летных и прочностных характеристик летательных аппаратов. Достижение новых технических вершин требует высоких материальных вложений. На сегодняшний день авиация как никогда нуждается в новых возможностях и технологических решениях.
Гипотеза исследования: передовые научные исследования все быстрее внедряются в технику, следовательно, для создания конкурентоспособной, безопасной, экономичной авиации необходимо, в том числе, все шире применять нанотехнологии.
Задачи исследования:
- изучить физические основы нанотехнологий;
- исследовать методы получения наночастиц;
- получить наночастицы углерода.
Цель работы:
Исследовать основные применения нанотехнологий в авиастроении;
Дать определение, что такое нанотехнологии и изучить их основные положения.
Методы исследования:
Анализ информации из источников интернета;
Экспериментальный метод исследования.
Основная часть
Нанотехнологии в авиастроении
«Надо, чтобы бизнес понимал, что если он сегодня не пойдет в нанотехнологии, то пропустит всё на свете и будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине, которую будут обслуживать и управлять наши друзья и партнеры». — Михаил Ефимович Фрадков российский государственный деятель 1950г.
Нанотехнологии появились в последней четверти ХХ века. Сегодня они стремительно развиваются. Казавшиеся раньше научной фантастикой проекты сегодня внедряются в жизнь. Будущее связано с нанотехнологиями.Человечество всегда стремилось проникнуть глубже – на атомный уровень. Компьютеры и мобильные телефоны сделали нашу жизнь другой. Очевидно, что следующим перспективным направлением способным изменить нашу жизнь станут нанотехнологии. Эрик Дрекслер, дал определение: нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой"
1. Нанотехнология с научной точки зрения
Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
2. Наночастицы
Наночастицы– это частицы размерами от 1 до 100 нанометров.Наночастицы некоторых материалов имеют оченьхорошие каталитические и адсорбционные свойства, другие материалы показывают отличные оптические свойства.К примеру возьмем сверхтонкие плёнки некоторых органических материалов. Их можно применять для производства дешевых, гибких солнечных батарей. Искусственные наночастицы взаимодействуют с белками нуклеиновыми кислотами и другими природными объектами наноразмеров. Необычные свойства проявляются у структур в которые самовыстраиваются наночастицы.
Три основных класса нанообьектов: трехмерные, двухмерные, одномерные.
Трехмерные частицы могут быть получены например взрывом проводников, синтезом в плазме, восстановлением тонких пленок. Двухмерные – это пленки получаемые методами ионного или молекулярного наслаивания, CVD, ALD. Одномерные обьекты называются вискерами. Их получают методом молекулярного наслаивания или введением вещества в цилиндрические микропоры. Нанокомпозиты получаются введением наночастиц в матрицы, иногда на поверхности матрицы получают плоские островковые объекты. Их размеры от 50 нанометров. Такие микролитографии применяются в электронике. Для создание микронных пленок используют метод CVD, ALD.
В медицине, косметологии применяют органические наночастицы.
3.Новейшие достижения. Наноматериалы
- Графен - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.
- Углеродная нанотрубка - это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
- Фуллерен - молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из трёхкоординированных атомов углерода.
- Монокристалл - отдельный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку.
- Аэрогели - класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной.
- Аэрографит представляет собой синтетическую пену, состоящую из трубчатых волокон углерода.
4. Методы исследования
Новые методы исследований: сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) в комплексе с оптическими и электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).
5. Применение нанотехнологии в авиастроении
Применение нанотехнологий позволяет создать более легкую и эффективную технику с уменьшенными потреблением энергии и влиянием на окружающую среду. В большинстве промышленно развитых стран ведутся активные работы по внедрению нанотехнологий в авиастроение. Например, в Германии действует восемь научных центров изучающих проблемы нанотехнологий.
6. Основные направления использования нанотехнологии в авиации
1) Важнейшая задача современного самолетостроения – это облегчение конструкции летательного аппарата. Улучшить эксплуатационные характеристики самолета, удешевить его производство может использование нанотехнологий при сваривании материалов и замена сплавов титана и алюминия на наноматериалы.
Существенно улучшить прочность сварного шва с использованием кристаллизации при сварке с помощью наночастиц карбида титана позволил метод лазерной сварки разработанный учеными из Института теоретической и прикладной механики СО РАН. Кроме того, при этом возрастает предел прочности, относительное удлинение и предел текучести материала.
Объединить полезные характеристики материалов позволяют композиционные материалы. Они включают в себя два или большее число веществ. В авиации это особенно актуально. Обеспечиваются целостность крыльев самолета, фюзеляжа. Экономится алюминиевые листы и крепежные детали. Ресурс узлов и агрегатов увеличивается, масса самолета значительно уменьшается, расход топлива снижается, грузоподъемность возрастает. Первая модель изготовленная в основном из композиционных материалов – самолет Ту-204, в авиалайнере Ту-214 из композиционных материалов изготовлено 25% конструкции в Boeing-787 –60%.
2)Аэродинамика.Самолеты выполняющие длительный крейсерский полет нуждаются в большом расходе топлива. Снизить его можно уменьшая сопротивление давления и трения. Если изменить режим течения воздуха в пограничном слое с турбулентного на ламинарный можно снизить сопротивление трения на 80%. Ученные разработали гибкую ленту наклеиваемую на поверхность крыла в которой имеются сенсоры и актуаторы. Эти механизмы вносят малые возмущения в пограничный слой. В качестве механизмов используют микронные полости с пьезокристаллом. В нем создается вихревая пара равная по амплитуде и противоположная по направлению колебаниям воздуха в пограничном слое.
3)Измерительные системы. Глобальный мониторинг параметров обтекания самолета возможен на основе использования нано- и MEMS — датчиков. Они позволяют получить объемную и точную информацию о состоянии конструкции самолета в данный момент.
MEMS датчики – это микроустройства получаемые методом комбинирования механических элементов, датчиков, электроники на общем кремниевом основании,в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники.
4) Решение проблемы обледенения. Опасное явление порой приводящее к трагическим последствиям - обледенение самолетов. Оно затрудняет экплуатацию летательных аппаратов.Что бы предотвратить образования льда, используется сверхгидрофобное нанопокрытие из кремнийорганической смолы с наночастицами кремния (размером от 20 нанометров до 20 микрометров максимум).
Все покрытия с частицами кремния размером менее 10 микрометров отталкивали воду, лишь покрытия с частицами менее 50 нанометров в диаметре полностью предотвращают оледенение. Такие малые размеры частиц означают и минимальный контакт с водой (вода соприкасается лишь с воздушной прослойкой между частицами и стекает с поверхности, не замерзая).
5) Двигатель. Безопасность полета, скорость самолета, расход топлива – все это зависит от двигателя. Коэффициент полезного действия, мощность и другие показатели эффективности двигателя могут быть улучшены за счет применения легких, прочных, термостойких материалов. Такие материалы как нанофазная керамика для термозащитных покрытий лопастей авиационных турбин увеличивают ресурс и мощность двигателя.
6)Добавление наночастиц в авиационное и ракетное топливо.Эти мероприятия помогут повысить эффективность сжигания топлива, достичь повышения температуры, скорости горения. Полнота сгорания топлива увеличит мощность двигателя снизит расход топлива. Сохраняемое в наноструктурированных средах с высоким отношением площади поверхности к массе, водородное топливо позволяет решать проблемы экологии.
7) Достижения России в нанотехнологической отрасли.
В нашей стране активно ведутся исследования способов увеличения упруго-прочностных характеристик углепластика на основе эпоксидной матрицы, модифицированной наночастицами. Для этого была использована золь-гель технология с целью введения наночастиц оксида циркония и других наномодификаторов в эпоксидную матрицу. Это позволило специалистам институтов России увеличить упругопрочностные характеристики полимерного композиционного материала на 25–30%.
Эти разработки позволили изготавливать корпуса облегченные и более прочные летальные аппараты и детали для них.
Следующим направлением работ в области нанотехнологий является создание материалов с более низкой теплопроводностью, чем теплопроводность воздуха. Для получения таких теплоизоляционных свойств были выбраны высокодисперсные, наноструктурные материалы. Так как теплопроводность зависит не только от общей пористости материала, но и от размера пор, наноструктурные теплоизоляционные материалы с порами менее 100 нм имеют теплопроводность близкую или даже ниже теплопроводности воздуха. Теплофизическая оценка опытных образцов подтвердила правильность подхода к выбору состава и технологии изготовления нового теплоизоляционного материала ТИМ-МП. Коэффициенты теплопроводности наноструктурного теплоизоляционного материала заметно меньше, чем у волокнистых материалов типа ТЗМК.
Основными направлениями применения материала ТИМ-МП является теплоизоляция:
- бортовых устройств регистрации полетных данных самолетов и вертолетов с целью сохранения их работоспособности в чрезвычайных ситуациях;
- двигателей в гражданской авиации и ракетостроении;
- сталеразливочных ковшей и прочих агрегатов для разливки металлов и сплавов;
- энергетического оборудования, промышленных печей.
Разработка электрохимических устройств с применением твердых электролитов на основе диоксида циркония. Твердые электролиты представляют собой твердый раствор ZrO2 с добавками оксидов иттрия, кальция, магния, алюминия и других металлов обладают ионной проводимостью по кислороду. Уникальное сочетание высоких термомеханических и проводящих свойств материалов на основе частично стабилизированного ZrO2 обусловило широкое применение их в качестве твердых электролитов для высокотемпературных электрохимических устройств различного назначения:
- в датчиках контроля кислорода в кабинах летательных аппаратах;
- в высокотемпературных электролизерах воды для получения водорода;
- в топливных элементах;
- в кислородных насосах;
- в датчиках контроля кислорода для оптимизации процессов литья конструкционных высококачественных сталей, для минимизации выбросов вредных веществ в автомобильных двигателях и для оптимизации и контроля процессов в химических и энергетических ядерных установках.
В качестве исходных компонентов для твердых электролитов используются нанокристаллические порошки диоксида циркония.
7. Как получают наночастицы
Основные методы получения наночастиц:
- диспергационные методы - измельчение образца для получения наночастиц;
- конденсационные методы- выращивание наночастиц из атомов;
Конденсационный метод: нагревание монокристалла до температуры плавления испрение, резкое охлаждение получившегося пара. Наночастицы при этом упорядочиваются и объединяются в наноагрегаты. Затем наноагрегаты превращаются в микро кристаллы. При это дефектные и мелкие испаряются, совершенные и более крупные продолжают расти. До достижения большинством наночастиц размеров сто нанометров система остается в наносостоянии, затем переходит в равновесие. Можно создать искусственные условия для консервации нанокристаллов, предотвращающие переход частиц в компактное вещество. Также конденсация может происходить не из пара, а из раствора. Для этого необходимо создание специальных условий предотвращающих слипание наночастиц. Это возможно при биохимическом, фотохимическом и радиационно-химическом синтезе.
Диспергационный способ – монокристалл измельчается до наноразмеров механически. Процесс продолжается и система остается в наносостоянии. Затем для предотвращения исходного монокристалла в систему вводят стабилизатор. Им может быть молекулярный раствор полимеров белков или поверхностно активных веществ.
Молекулы стабилизаторы облепляя наночастицу предотвращают ее дальнейший рост.
Вот несколько методов получения наночастиц:
1. Измельчение вещества до наночастиц взрывом металлической нити импульсом тока.
2. Электродуговое распыление графита. В камере с инертным газом создается электрический разряд между графитовыми электродами. Происходит ионизация атомов газа и распыления графита.
3. Лазерное испарение графита и его конденсация на охлаждаемом коллекторе.
4. Метод получения углеродных нанотрубок при химическом осаждения углеродосодержащего газа на поверхности металлического катализатора.
Эксперимент «получение наночастиц в домашних условиях»
Цель: получить наночастицы углерода и изучить их строение, свойства и применение.
Оборудование. Для первого прибора: источник электричества, два провода (медных), лампочка, свеча и спички, АВДТ (автомат, через который будем проводить ток), кабель с вилкой и розетка. Для второго прибора: неодимовые магниты, медная проволока, свеча и спички.
Введение:
В данном эксперименте был использован конденсационный метод получения наночастиц. При сгорании свечи в магнитном или электрическом поле образующиеся частицы твердого углерода конденсируются на электроде. Т.к. они ионизируются они находятся в наносостоянии. Дефектные кристаллы при этом испаряются, а наиболее крупные растут. Мы получаем углеродный порошок из наночастиц, который может быть использован в практических целях.
Ход работы
Собираем прибор для получения наночастиц по данной на фотографии схеме.
 
Соблюдая технику безопасности, подводим два электрода к пламени свечи не соприкасая их друг с другом и наблюдаем, как на них начинают образовываться наросты углерода. Это происходит за счет того, что частицы углерода наэлектризовываются и движутся вдоль силовых линей электрического поля.
 
Ранее проводимые подобные опыты ученными показали, что полученные наночастицы абсолютно полностью состоят из углерода:
 
Такой углерод можно использовать для изготовления смазочных средств, т.к. такие шарики будут работать, как шарикоподшипник, так же применять как антикоррозийное покрытие. Самое главное свойство полученного наноматериала – большая прочность следовательно можно использовать при шлифовании металла или стекла.
В первом опыте частицы нарастали за счет электрического поля, в этом опыте будет действовать магнитное поле. Принцип тот же. Прибор собираем по схеме.
  
Вывод: мы имеем реальные способы получения наночастиц углерода, изучили их строение и применение.
Вывод
Таким образом исследование доказало, что нанотехнологии все шире применяются в авиации и это дает отличные результаты. Появляются новые методы получения наночастиц, применение нанотехнологий становится доступнее. Применение нанотехнологий – веление времени! Оно уже приносит и еще принесет большую выгоду человечеству. Поэтому просвещение общества и особенно молодежи – актуальная задача. Я надеюсь, что моя работа внесет свой вклад в реализацию этой задачи, тем более, что простейшие углеродные порошки из наночастиц могут быть получены даже в домашних условиях.
Интернет источники:
- https://studopedia.org/1-24600.html- Студопедия - Нанотехнологии в авиастроении;
- http://avia.pro/blog/nanomaterialy-v-aviacii-novye-vozmozhnosti-dlya-letatelnyh-apparatov- авиа про - Наноматериалы в авиации: новые возможности для воздушных судов;
- https://moluch.ru/conf/tech/archive/87/4280/- Возможность и перспективы использования нанотехнологии в авиационной отрасли;
- https://ru.wikipedia.org/wiki/- Википедия;
- http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/primenenie-nanotekhnologii-v-aviatsionno-kosmicheskoi-otrasli - Сайт о нанотехнологиях #1 в России.
| 
