Применение наноструктурных материалов

Общая характеристика наноматериалов.

Свойства наноматериалов позволяют использовать их в широких областях:

• 1. Создание новых высокопрочных композиционных материалов на основе нанотрубок, физико-механические характеристики которых будут в десятки раз превышать аналогичные характеристики высокопрочных сталей при меньшей плотности.
• 2. Высокопрочные покрытия для пар трения, режущего инструмента, превышающие по твердости алмаз.
• 3. Смазывающе-охлаждеющие технологические среды и присадки для пар трения, значительно повышающие эксплуатационные характеристики изделий.
• 4. Аккумуляторы и батареи нового поколения, обладающие большой емкостью при малых габаритах.
• 5. Нанодатчики для измерения физических величин со сверхвысокой чувствительностью.
• 6. Элементы электронных схем для приборов нового поколения.
• 7. Контрастирующие вещества для магнитно-резонансной томографии и других видов диагностики в биологии и медицине.
• 8. Создание защитных покрытий поверхностей, невидимых для радаров и других средств обнаружения.
• 9. Контейнеры для транспортировки лекарств и диагностических датчиков в медицине.
• 10. Создание сверхпрочных волокон, нитей, канатов, стержней для запуска и удержания на геостационарной орбите спутников и космических станций.
• 11. Матрицы и дисплеи сверхвысокой четкости и яркости и чувствительности.

По данным 2002 г. всемирный рынок продуктов нанотехнологии оценивался в 300 млрд $, причем на долю электроники приходилось более 60% этой суммы. Области, в которых в настоящее время получено наибольшее количество патентов, и можно прогнозировать, рост использования наноматериалов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Распределение числа патентов по отраслям промышленности и науки

Большинство патентов принадлежит США. Показатели табл.4.1 отражают широкий спектр применения нанотехнологической продукции и, в частности, наноматериалов.

Рассмотрим основные области применения наноматериалов в машиностроении, химической промышленности, электротехнике, энергетике, электронике, информационных и компьютерных технологиях, биологии и медицине, в области охраны окружающей среды, а также в некоторых других областях. Следует принять во внимание условность приведенного выше деления сфер применения; одни и те же материалы могут применяться в разных отраслях, особенно это относится к нанопорошкам, производство которых и получение изделий из которых осуществляется, как правило, разными фирмами. Преобладающим типом нанопорошков являются оксиды (SiO, А1₂0з, ZnO, ТЮ2 и др.), используемые в разных областях.

Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» Предусматривает следующие направления исследований и разработки в области разработки технологий наноматериалов:

> разработка технологии и выпуск партий наноуглеродных материалов с повышенными в 1,5−2 раза эксплуатационными характеристиками. Работа направлена на повышение эксплуатационных свойств изделий машиностроения. Реализация работы позволит:

• -уменьшить массу конструкций на 10−30%;
• -повысить прочность на 30 -50%.

> разработка технологии и организация производства легированных порошковых сталей и сплавов с наноструктурой для высокопрочных износои теплостойких деталей машин и механизмов. Работа направлена на повышение эксплуатационных характеристик металлических материалов для машиностроения за счет создания в них нанокристаллической структуры. Реализации работы позволит изготовлять высокопрочные узлы и детали с повышенной на 40−60% износои теплостойкостью по сравнению с литыми.

'> разработка технологии и выпуск партий нового класса обрабатывающего и отрезного инструмента на основе кубического нитрида бора и синтетических сверхтвердых наноматериалов. Работа направлена на существенное повышение качества отрезного, режущего и обрабатывающего инструмента для машиностроения, строительной индустрии, добывающей и перерабатывающей отраслей промышленности, позволяющего обеспечить скорость резания:

• -железобетона с высокой степенью армирования -1,5−2,5 м²/час;
• -гранита (в зависимости от категории) — от 2,0 до 5,0 мТчас;
• -чугуна — до 5000 м/мин;
• -закаленной стали — 500−800 м/мин.

> разработка технологий получения функциональных проницаемых сетчато-ячеистых и волоконных наноматериалов для машиностроения и транспортной техники. Работа направлена на повышение степени очистки и разделения жидких и газообразных сред фильтрованием в экстремальных условиях эксплуатации (температура до 10 000 С, давление до 100 атм, наличие агрессивных и окислитслыю-восстаповитсльных сред) через керамические, композиционные и металлические материалы с наноструктурой для машиностроительной и транспортной техники, в литейном производстве — для очистки расплавов металлов как от механических, так и растворенных примесей. Характеристика материалов:

• -пористость -88−92%;
• -удельная поверхность носителей пропитанных высокодисперсными оксидами — более 50 м2/г;
• -размеры ячеекот 0,5 до 5 мм.

У Создание новых технологий получения и производства наноматериалов и продуктов на их основе для перспективных изделий машиностроения, продукции других отраслей промышленности. Работа направлена на создание новых наноструктурных материалов на основе металлических порошков, керамики, композитов для перспективных изделий машиностроения, других отраслей промышленности, обладающих повышенными в 3−5 раз эксплуатационными характеристиками (усталостное разрушение, износои коррозионная стойкость).