Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для

Обновлено: 17.05.2024

Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время относят к ключевым аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

Содержание

Введение 3
Наноматериалы: настоящее и прошлое 4
Понятие о наноматериалах. Классификация и типы структур наноматериалов 6
Классификация наноматериалов 6
Основные типы структур наноматериалов 9
Наиболее важные наноматериалы 10
Нанопорошки 10
Нанокластеры 11
Фуллерены 12
Фуллериты 13
Углеродные нанотрубки 14
«Умные наноматериалы» 16
Свойства наноматериалов 18
Способы получения наноматериалов 21
Метод порошковой металлургии 21
Технологии химического осаждения из паровой фазы 21
Методы физического осаждения из паровой фазы 24
Механическое измельчение 25
Методы с использованием аморфизации 25
Методы с использованием интенсивной пластической
деформации 26
Методы с использованием технологий
обработки поверхности 26
Технологии, основанные на физических процессах 26
Технологии, основанные на химических процессах 28
. Применение наноматериалов 29
. Заключение 32
. Список литературы 33

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовая 1 курс.docx

Технологии, основанные на химических процессах

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Данная группа методов основана на осаждении пленок на поверхность нагретых деталей из соединений металлов, находящихся в газообразном состоянии. Осаждение, как правило, проводят в специальной камере при пониженном давлении посредством использования химических реакций восстановления, пиролиза, диспропорционирования. В ряде случаев могут использоваться реакции взаимодействия основного газообразного реагента с дополнительным. Наиболее часто в качестве таких соединений используют карбонилы, галогены, металлоорганические соединения.

Метод можно использовать для нанесения покрытия на внутренние поверхности трубок и отверстий. Кроме металлических пленок можно получать также пленки из бора, боридов, углерода, карбидов, нитридов, оксидов, кремния и силицидов. Основным недостатком CVD- метода является необходимость нагрева деталей до высоких температур. С одной стороны это оказывает отрицательное влияние на механические свойства и структуру подложки, а с другой вызывает дополнительные проблемы в случае необходимости получения наноструктурного состояния самого покрытия.

Осаждение с использованием плазмы тлеющего разряда.

В камере, как правило при пониженном давлении, проводят процессы

по схеме описанных выше методов катодного и магнетронного распыления

или ионного плакирования. Существуют две разновидности рассматриваемого метода.

При реактивном распылении материал мишени в виде ионов взаимодействует в плазме тлеющего разряда с ионами активной газовой среды. На поверхность обрабатываемых деталей осаждается покрытие в виде соединения. Типичным примером может служить получение покрытия из нитрида титана, когда в плазме тлеющего разряда происходит взаимодействие ионов титана и азота.

Вторая разновидность часто носит название «ионноактивированное химическое осаждение из паровой фазы». В этом случае используются аналогичные CVD-методу химические реакции, но из-за активации плазмой тлеющего разряда необходимые для их протекания температуры снижаются до 200…300 о С. Такой подход позволяет преодолеть основной указанный выше недостаток CVD-метода. Однако при этом практически невозможно получение покрытий с очень высокой чистотой химического состава, так как из-за недостаточной десорбции при низкой температуре подложки в формирующееся покрытие могут проникать примеси реакционных газов.

Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. Но исследования ведутся активно, и с каждым днем область использования увеличивается (рис.13).

Рис.13. Области применения наноматериалов.

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использования в настоящее время – это получение высокопрочных и износостойких материалов. Так прочностные свойства увеличиваются по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а вязкость – либо уменьшается очень незначительно, либо возрастает, особенно, в случае керамических наноматериалов. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

Инструментальные сплавы с нанозерном являются, как правило, более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков.

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление тугоплавких нанопорошков к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Очень большая удельная поверхность нанопорошков способствует их применению в качестве катализаторов в ряде химических производств.

Металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Эффект износостойкости и малого коэффициента трения проявляется при использовании полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например, со сфероподобными молекулами С60) и фуллеридов (легированных фуллеренов, например, FexC60), наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью

В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20 ГПа и очень малым коэффициентом трения скольжения. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей, фторопластовые для уменьшения трения.

Для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами.

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – для изготовления имплантатов, протезов и травматологических аппаратов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).

Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий самолетов, созданных с применением технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем и электроники противника (т.н. «графитовая бомба»).

Однако в использовании наноматериалов есть свои ограничения. Важным ограничением для использования наноструктурных конструкционных материалов является их склонность к коррозии из-за очень большой объемной доли границ зерен. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия атомов с поверхности и по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен и т.д.).

Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а, следовательно, нестабильность их свойств. Так при термических, радиационных, деформационных и т.п. воздействиях неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления распада, фазовых превращений, спекания и заплывания нанопор и нанокапилляров, аморфизации или кристаллизации. Например, углеродные нановолокона, предназначенные для фильтрации жидкости, могут повреждаться под действием вибраций и возбуждаемой потоком жидкости структурной неустойчивости углерода. При формовании изделий из нанопорошков достаточно остро встает также проблема слипания наночастиц, что может осложнить получение материалов с заданной структурой и распределением компонентов.

Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизации, выполняя не только производственные, но и социальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. Манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями – атомами и молекулами, – по прогнозам специалистов, уже в ближайшем будущем откроют перед человечеством беспрецедентные перспективы и станут ключом к его жизнеобеспечению во всех сферах деятельности. На очереди создание эффективных технологических процессов, обеспечивающих создание наноматериалов с нанокристаллической структурой в промышленных масштабах.

В настоящее время развитие нанотехнологий и разработка методик создания и изучения нановещества может быть названа одной из важнейших областей науки XXI века. Как говорил еще 30 лет назад знаменитый физик Р.Ф. Фейнман, проникновение в наномир – это бесконечный путь человека, на котором он практически не ограничен материалами, но следует лишь за собственным разумом.

Смазочные материалы, легированные нанопорошками

В ряде работ [1 - 10], указанных ниже, представлены результаты исследования по применению нанопорошков мягких металлов в смазочных композициях. Для исследований использовались электровзрывные нанопорошки меди, цинка и латуни (сплав ЛС 59-1Л, состав 57 - 60% масс. Cu, 0,8 - 0,9% масс. Pb, остальное цинк).

Проведенные эксперименты показывают, что износ детали трения и коэффициент трения зависят как от вида нанопорошка, так и от твердости поверхности детали трения (табл. 1). Из представленных данных следует, что величина износа зависит от того, какая из деталей трения была подвергнута термообработке (закалка до твердости 58 HRC): подвижный вал или неподвижные колодки.

Таблица 1 - Данные сравнительных испытаний масла И-20 легированного нанопорошками

Рис. 1. Профили 2D детали трения (колодки) после проведения трибологически испытаний: 1 - чистое масло И - 20, 4 - масло И - 20 + 0,3% масс. нанопорошка латуни

При термообработке вала износ колодки снижает в ряду нанопорошков Zn - Cu. При термообработке колодок незначительное снижение износа наблюдалось только на нанопорошках Zn и латуни. Профиль колодки после проведения испытаний при термообработке вала изображен на рис. 1.
Вероятно, образование плакирующих слоев на поверхности тела трения обусловлено механическими процессами внедрения наночастиц в поверхностные слои колодки, которые в свою очередь определяются твердостью поверхностных слоев. В приповерхностных слоях трущихся деталей было обнаружено присутствие элементов меди и цинка до глубины 0,2 мкм с неравномерным расположением по поверхности.
Износ деталей трения также связан с природой базового масла. В табл. 2 приведены данные противоизносных испытаний в масле А-8, проведенных в Омском танковом институте. Из данных таблицы следует, что наименьший износ деталей трения наблюдается при легировании масла порошком меди.
Испытания при ступенчатом повышении нагрузки показывают снижение величины коэффициента трения по мере увеличения нагрузки (рис. 2).

Таблица 2 - Противоизносные испытания в масле А-8

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения (f) от продолжительности проведения испытаний при различных нагрузках (F)

Рис. 3. Зависимость износа детали трения в среде масла И-20 и масла И-20,
легированного нанопорошками меди (Cu), латуни (Cu-Zn), цинка (Zn)

Наименьший коэффициент трения наблюдается при использовании нанопорошков меди и латуни, при нагрузках около 800 Н. Существенного понижения коэффициента трения при применении нанопорошков цинка не происходит. Тем не менее, снижение износа детали трения наблюдается при применении нанопорошков всех указанных металлов (рис. 3).

Данные противозадирных испытаний, проведенных в Томском государственном архитектурно - строительном университете, представлены в табл. 3. Введение в масло нанопорошков металлов увеличивает значение нагрузки схватывания на всех испытанных составах. Наиболее эффективно применение нанопорошков меди, величина нагрузки схватывания возросла в 1,83 раза.

Таблица 3 - Данные противозадирных испытаний

Испытания общего уровня вибрации подшипников 180307, заполненных различными видами смазок, в том числе и легированных нанопорошками, проводились в заводской лаборатории ОАО «Ролтом», г. Томск. Измеряемой характеристикой являлась величина относительного уровня вибрации подшипника θ = θ2/ θ1, где θ1 - уровень вибрации «открытого» (т. е. не заполненного смазкой) подшипника (дб), θ2 - уровень вибрации подшипника заполненного смазкой (дб).

Из результатов испытаний (табл. 4) следует, что наибольшее понижение уровня вибрации наблюдается на подшипниках, заполненных смазкой ЛЗ-31 с нанопорошком сплава свинец-олово и смазкой Литол-24 с нанопорошком меди.
Испытания смазки Ровел Резьбовая, Литол-24, легированной нанопорошками меди и цинка, проведенные на ОАО "Пермский завод смазок и СОЖ", показали следующее. Если нормальная нагрузка сваривания (Рс) для базовой смазки составляет 668 кгс, то при введении порошка меди Рс > 1000 кгс, цинка Рс = 800 кгс.
Присадки к моторным маслам на основе электровзрывных нанопорошков меди, латуни и цинка доведены до товарного уровня и выпускаются мелкосерийными партиями под торговым названием «Гарант-М».

Выводы:

1. Смазочные среды, состоящие из масел с добавками нанопорошков меди, латуни и цинка обеспечивают противоизносные свойства пары трения сталь-сталь в условиях высокой нагрузки лучше, чем товарные масла. Введение нанопорошков в товарные масла позволяет несколько улучшить антифрикционные свойства базового масла. Снижение величин износа и коэффициента трения определяется типом применяемого базового масла, нанопорошка и твердостью детали трения.
2. Улучшение противоизносных и антифрикционных свойств пары трения после введения в базовое масло добавок нанопорошков вероятно происходит за счет образования на поверхности и внедрения в приповерхностные слои детали трения частиц нанопорошков.
3. Перспективным направлением улучшения характеристик товарных смазочных составов является применение нанопорошков для легирования консистентных смазок.

Литература

1. Пат. RU 2063417 C1. Восстанавливающий смазочный материал, содержащий порошки металлов / Ильин А. П., Лернер М. И., Давыдович В.И.. - 5057106/92; Заявлено 29.07. 1992; Опубл. 10.07.1996.

2. Тарасов С. Ю., Беляев С. А., Колубаев А. В., Лернер М. И. Модификация поверхностей трения добавками нанопорошков меди в жидкую смазку // Материаловедение, технологии и экология на рубеже веков. Сб. Материалов Всероссийской конференции молодых ученых 5 - 8 декабря 2000. - Томск, 2000. - С. 251 - 254.

3. Беляев С. А., Тарасов С. Ю., Колупаев А. В., Лернер М. И. Повышение эффективности смазочного действия путем добавления нанопорошков металлов в масло // Международная научно-техническая конференция, посвященная памяти генерального конструктора аэрокосмической техники, академика Н.Д. Кузнецова. Сборник трудов. - Самара, 2001. - Ч.2. - С. 204 - 211.

4. Беляев С. А., Тарасов С. Ю., Лернер М. И., Колубаев А. В. Использование добавок нанопорошков меди и латуни в жидкой смазке. // Материалы Международной научно-технической конференции "Надежность машин и технических систем" 16 - 17 октября 2001 г. - Минск, 2001. - Т.2. - С. 19 -20.

5. Tarasov S., Kolubaev A., Belyaev S., Lerner M., Tepper F. Study of friction by nanocopper additives to motor oil // Wear. - 2002. - 252. - Р. 63-69.

6. Беляев С. А., Тарасов С. Ю., Лернер М. И. Трение, изнашивание и деформация поверхностных слоев конструкционной стали в присутствии нанокристаллических порошков в жидкой смазке. // Материалы 4-ой Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОмГТУ. Омск, 12-14 ноября 2002 г. - Омск, 2002. - С.100 - 102.

8. Сваровская Н. В., Журавков C. П., Лернер М. И. Применение нанопорошков металлов в пластичных смазках // I Всероссийская конференция «Химия для автомобильного транспорта» 27-30 октября 2004 г. - Новосибирск, 2004. - С. 145.

9. Беляев С.А., Тарасов С.Ю., Лернер М.И. Механическое легирование конструкционной стали добавками нанопорошков цинка, меди и медного сплава // Материалы 5-ой Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОмГТУ, 16-18 ноября 2004 г. - Омск, 2004. - С. 193 - 197.

10. Тарасов С. Ю., Беляев С. А., Лернер М. И. Износостойкость конструкционной стали в смазочной среде, содержащей нанопорошки меди, латуни и цинка // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 12. - С. 31 - 36.

Индивидуальный подход к заказу
Научно-технологическое сотрудничество
Систему скидок
Доставку продукции

Пандемия коронавируса COVID-19 показала, что существует неотложная потребность в эффективных мерах по предотвращению распространения вирусных инфекций различных нозологий. Последние случаи вспышек вируса атипичной пневмонии, птичьего гриппа, гриппа H1N1, и наконец, коронавируса COVID-19 показали, что высокоэффективные бытовые технические средства, позволяющие прервать пути распространения инфекций, отсутствуют. На данный момент известно, что есть два главных пути передачи вирусов. Во-первых, это воздушно-капельный механизм передачи инфекции, во-вторых, это контакт человека с зараженными поверхностями.
В настоящее время для прерывания путей передачи вирусов в быту в качестве индивидуальных защитных средств используются маски, защищающие органы дыхания, перчатки и различные антисептики, которыми обрабатываются руки и окружающие предметы и поверхности.
Защитные маски позволяют уменьшить распространение респираторных вирусов, особенно при использовании в замкнутом пространстве или при тесном контакте с человеком с симптомами заражения [1, 2]. Однако сами маски также могут быть источником инфекции [3]. Маска примерно через два часа становится влажной и уже в ней начинают размножаться микроорганизмы. По мнению ВОЗ, маски не гарантируют защиты от COVID-19. Установлено, что эффективность хирургических масок даже самого высокого класса защиты FFP3 недостаточна (гриппом заражается не менее 23 % медицинских сестер, носивших хирургические маски класса FFP3).
Вирус COVID-19 передается не только воздушно-капельным, но и контактным путем, и может сохраняться на поверхностях до 72 часов. Поэтому другой стороной вышеуказанной проблемы является передача вирусов, в т.ч. COVID-19, в лечебных учреждениях через медицинскую одежду, постельное белье, корпуса медицинского оборудования и др.
Одним из путей решений вышеуказанных проблем является придание натуральным и искусственным, в т.ч. медицинским, материалам и поверхностям антисептических свойств, например, с помощью биоцидных наночастиц. Волокна, импрегнированные биоактивными наночастицами, проявляют биоцидные свойства – антибактериальные, противогрибковые, противовирусные [4]. В большинстве современных исследований в области применения наночастиц для уничтожения патогеннов, основное внимание уделяется однокомпонентным наноматериалам (например, наночастицам оксида меди CuO, оксида цинка ZnO, серебра Ag). До недавнего времени серебро оставалось наиболее популярным материалом, который предлагался как эффективное антимикробное средство. Однако последние исследования показывают, что серебро при применении в действующих концентрациях оказывает цитотоксический эффект на клетки организма человека [5]. Кроме того серебро имеет высокую стоимость, что приведет к заметному увеличению цены конечной продукции. Поэтому сейчас основное внимание уделяется применению в качестве бактерицидных и противовирусных материалов наночастицам CuO и ZnO, которые практически малотоксичны для человека.
Например, импрегнация биоактивных наночастиц оксида меди в фильтрующий материал позволяет придать одноразовым респираторным маскам мощные биоцидные свойства без изменения их барьерных свойств [6]. При контакте с вирусом ионы меди вызывают массовое повреждение компонентов клеточной стенки, вирусных генов и ключевых белков [7].
Таким образом, с использованием нанопорошков оксидов меди и цинка, возможно разработать ряд продуктов, позволяющих прервать пути передачи вирусов в быту и в медицинских учреждениях – лицевых масок, одежды медицинского персонала, перчаток, больничных простыней, корпусов медицинского оборудования, контейнеры для хранения продуктов, клавиатуру компьютеров, корпуса мобильных телефонов и др.

Компания «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» может изготовить нанопорошки оксидов меди и цинка для разработки новых антимикробных материалов.

Назовите и обоснуйте области гражданского применения наноситем

Конструкционные материалы: Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а пластичность – либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni₃Al возрастает в 4 раза. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

Инструментальные материалы: Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработки полупроводников и диэлектриков.

Производственные технологии: Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х10 7 м -1 ) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов.

Триботехника: Здесь перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладая повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Другим направлением в этой области является использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами С₆₀) и фуллеритов (легированных фуллеренов, например Fe_xC₆₀). Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок – в условиях ударного износа. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20Гпа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

Ядерная энергетика: В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO₂, а в термоядерной технике используются мишени для лазерно-термоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды.

Электро-магнитная и электронная техника: Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы. Разработаны наноструктурная никелевая фольга и магнитомягкий наносплав «Файнмет». Углеродные нанотрубки, напылённые железом, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа Sm_xCo_y применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников. Добавление нанопорошков в состав ряда сверхпроводников может улучшать такие показатели, как температуру перехода в сверхпроводящее состояние и критическую плотность тока за счет образования дополнительных центрами пиннинга. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. Соединение углеродных нанотрубок с различной хиральностью (т.е. скрученностью кристаллической решетки относительно оси трубки) образует нанодиод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм. Фуллерены и наноматериалы на их основе являются перспективными материалами для создания изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники. Композитные фуллереноосновные пленки С₆₀-CdTe при содержание 15-20 мас.% CdTe являются основой для получения регулярных наноструктур с заданными оптическими свойствами. Нанотехнологии на основе метода ионно-атомного осаждения позволяют получать для электронных и оптических изделий нанокомпозиции «покрытие - переходный слой - подложка» из термодинамически несмешиваемых элементов, отличающихся высокой адгезией и стойкостью к внешним термическим и механическим воздействиям, например пленки золота на кремниевых подложках со структурой поверхности в виде набора атомно-гладких сфероидальных сегментов. В качестве перспективных полупроводниковых материалов рассматриваются эпитаксиальные слои GaN, в т.ч. на сапфировой подложке, самоорганизация топографической наноструктуры поверхности которых связана с величиной подвижность электронов, особенностями мозаичной структуры и химическим составом.

Защита материалов: В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами.

Медицина и биотехнологии: Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiO_x, SiN_x обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).

В парфюмерно-косметической промышленности наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов; в сельском хозяйстве - для более эффективной доставки средств защиты растений и удобрений, для нанокапсулирования вакцин; предполагается использование наночастиц для доставки ДНК в растения в целях генной инженерии. В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термически устойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов.

1. Что такое углеродные нанотрубки. Можно ли использовать их в качестве зондов СТМ? А как еще используют нанотрубки?

УНТ - цилиндрические частицы из свернутых графенов.(Графены - листки из атома углерода, расположенных по углам сочлененных шестиугольников)

Углеродные нанотрубки представляют собой крошечные цилинтры или цилиндрические образования с диаметром от 0,5 до 10нм и длиной примерно в 1мкм. Они являются новой кристаллической формой углерода.

Углеродные нанотрубки являются новым веществом или материалом, чрезвычайно перспективным для различных технических применений.

Высокая механическая прочность углеродных нанотрубок в сочетании с их электропроводностью дают возможность использовать их в качестве зонда в СТМ, что на несколько порядков повышает разрешающую способность приборов подобного рода.

Возможные применения нанотрубок:

· Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы

· Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы

· Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки

· Оптические применения: дисплеи, светодиоды

· Химическое применение: нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов.

· Энергетика (двигатели на водородном топливе)

· Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

2. Назовите перспективы и основные цели национальных нанотехнологических программ США, ЕС, и Японии

США

National Nanotechnology Initiative -2000 г. – основа национальной стратегии для расширения исследований в области нанотехнологий. Главные цели:

1. Проведение исследований и разработок на мировом уровне

2. Ускорение трансфера технологий

3. развитие образовательных ресурсов, подготовка квалифицированных кадров

4. поддержка исследовательской инфраструктуры и инструментов.

Особое значение: стоимость инфраструктуры и оборудования для исследований по нанотехнологиям и их коммерциализации очень высоки и превышают финансовые возможности малого бизнеса, академических институтов и государственных организаций.

7основных направлений (программные компоненты):

1. Фундаментальный феномен наноразмера и процессы

3. Наноразмерные устройства и системы

4. Исследования в области инструментов, метрологии и стандартов для нанотехнологий.

6. Приобретение основных исследовательских устройств и инструментов.

7. Социальные измерения (влияние на окружающую среду, здоровье, безопасность населения)

ЕС

Нанотехнологии финансируются как из средств ЕК, так и на уровне отдельных государств.

Рамочные программы 5,6,7 включают нанотехнологии и нанонауку.

В 6 РП в рамках проекта Nanoroadmap было выделено 4 приоритетные области:

Наноматериалы, наноэлектроника, наноэнергетика и нанотехнологии для медицины и фармацевтики.

Еврокомиссия инициировала разработку «Европейской стратегии развития нанотехнологий, 12 мая 2004 г. Еврокомиссией был одобрен документ « Towards a European Strategy for Nanotechnology», след ключевые проблемы:

· Увеличение инвестиций и ИиР и улучшение координации ИиР, проводимых странами ЕС, с целью обеспечения превосходства, конкурентоспособности нанонауки и нанотехнологий;

· Создание научной инфраструктуры мирового уровня( полюсов превосходства), которые учитывали бы потребности и научных организаций, и промышленности;

· Поддержка междисциплинарности в образовательном процессе и в подготовке научного персонала;

· Создание преференций для промышленных инноваций;

· Создание условий для обеспечения безопасности потребителей нанопродукции и наноуслуг и экологической безопасности.

Япония – мировой лидер во многих областях нанотехнологий.

В третьем пятилетнем плане развития науки и технологий на период 2006-2010гг нанотехнологии рассматриваются как один их ключевых приоритетов. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии отвечает за коммерциализацию нанотехнологий. Были учреждены 3 структуры для разработки «Стратегии развития нанотехнологий в Японии»:

Комитет научной политики в области нанотехнологий

Рабочая группа по разработке политики

Рабочая группа для анализа социального влияния

2005 – выделение 7 стратегических для Японии направлений:

Транспарентный подход к управлению ресурсами

Решение проблем станлартизации и обеспечения безопасности для потребителей нанотехнологий

Разработка дорожных карт для создания рынков

Координация проектов в области использования нанотехнологий для решения социальных проблем

Стратегия для нано-spin-offs

Создание моста между университетскими исследованиями, промышленностью и социальными потребностями.

Области применения наноматериалов

Роль новых материалов с каждым годом возрастает. По оценке американских экспертов в ближайшие 20 лет 90% современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях техники. За последние годы в США стали использоваться тысячи марок новых и новейших материалов.

Существуют конструкционные и функциональные новые материалы, к последним относят:

- аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, после чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физико-механических и химических свойств;

- «интеллектуальные» или «умные» материалы, характерной особенностью которых является способность запоминать, отслеживать и возвращать деформацию и форму конструкции;

- интерметаллические материалы;

- композиционные материалы на металлической, полимерной или углеродной матрице;

- ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный размер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона;

- алмазноподобные сверхтвердые пленки;

- функционально-градиентные покрытия и др.

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. В ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Большое число технологических методов обработки и технологических процессов (например, реактивная и инжекционная формовка, экструзия, сверхпластичная формовка, высокоскоростное охлаждение, порошковая металлургия, лазерные технологии, высокоэнергетическое ионноплазменное напыление и другие) интенсивно развивались в последние годы и в начале XXI века будут определять рынок высокотехнологичного оборудования.

О тенденциях развития мирового рынка новых материалов с 1980 по 2000г. свидетельствуют данные таблицы 30-31, которыми подтверждаются преобладающие темпы роста новейших материалов по сравнению с традиционными.

Вклад новейших конструкционных и функциональных материалов в стоимость перспективных видов вооружений и глубоководной техники составляют от 40 до 85%. Они являются опорной базой модернизации электроники, подводных лодок и новых типов кораблей и судов, ракетно-космической техники и авиации.

Прогноз развития мирового рынка новых материалов

Новые материалы	Средние ежегодные темпы роста получения материалов (с 1980 до 2000 г.) %
Новые чугуны и стали	2.3
Цветные сплавы и новые металлы	3.8
Композиционные материалы	8.7
Конструкционная керамика	13.9
Функциональные материалы	12.0

Таким образом, не вызывает сомнения тесная связь между использованием новых материалов и конкурентной способностью промышленной продукции. Уровень разработки новых материалов в различных странах мира, составленный по данным экспертов США и стран Западной Европы, приведен в таблице 31.

Относительный уровень разработки новых материалов

Наименование материалов	Страны НАТО	Япония	Россия и страны СНГ	Прочие страны
Конструкционные материалы	++++	++++	++++	++
Высокотемпературные материалы	++++	+++	++++	++
Материалы для защиты от электро-магнитных излучений и бронематериалы	++++	+++	+++++	++
Электронные, магнитные и оптические материалы	++++	++++	++	++
Материалы со специальными свойствами и био-молекулярные материалы	++++	++++	+	++

Особый класс новых материалов – наноструктурные материалы. На которых остановимся подробнее, так как их интенсивные разработки ведут и в Казахстане.

Наноструктурные материалы создаются с использованием нанотехнологий и обладает рядом уникальных свойствам. К этому классу относят материалы с размером структурных элементов менее 100нм.

По геометрическим признакам структурные элементы наноматериалов можно разделить на:

- нольмерные атомные кластеры и частицы;

- одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры (квантовые проводники, нанотрубки тонкие пленки);

- трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

В настоящее время широко используются следующие типы наноматериалов: нановолокна и нанотрубки, нанопленки и нанопокрытия, нанодисперсии и начинают получать все большее применение объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм).

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Первые исследования наноматериалов показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии. У наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону ее уменьшения.

По мере того как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности. Так как доля поверхностных атомов в наноматериалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний. Развитая поверхность оказывает влияние как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Поведение наноматериалов определяется процессами на границе частиц или зерен. Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые влекут за собой изменения физических свойств, по сравнению с массивными материалами. Если считать, что зерна имеют сферическую форму, и полагать, что толщина слоя 1нм (это соответствует 2-3 атомным слоям для большинства металлов), то получаются следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:

Диаметр зерна (частицы), нм……………… 100 50 25 20 10 6 4

Объемная доля поверхностного слоя,%. 6 12 24 30 60 100 150

Обладая развитой поверхностью, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой, прежде всего это касается металлических наноматериалов.

Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорошков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки.

Области применения наноматериалов

Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. Но некоторые наноматериалы уже доступны на рынке.

Одним из первых применений наноматериалов можно считать использование коллоидов. Давно применяются вещества, содержащие ультрадисперсные частицы, как аэрозоли, красящие пигменты, окрашивающие стеклоколлоидные частицы металлов.

В генной инженерии наноматериалы используются для доставки биологически активных веществ в клетки.

Часто основанием применения наноматериала становится какое-либо одно свойство. Так, керамические материалы, содержащие нанокристаллические частицы металла используют для поглощения электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн. Суспензии частиц железа с размерами от 30нм до 1-2мкм в смазочном масле восстанавливают изношенные детали (не прерывая работы)двигателя.

В настоящее время они широко используются в микроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов (чему способствует огромная, порядка 5 * 10 7 м -1 удельная поверхность на но порошков).

В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсного порошка UO₂, в термоядерной технике из ультрадисперсного порошка бериллия изготавливают мишени для лазерно-термоядерного синтеза.

Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий.

Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов, существенно превосходя по служебным свойства традиционные материалы.

Полученные плазмохимическим способом ультрадисперсные порошки металлов с включениями карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала полупроводников и диэлектриков.

В медицине ультрадисперсные порошки применяют для защиты персонала от рентгеновского излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с ультрадисперсным порошквым свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрою усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т. п.).

В военном деле ультрадисперсные порошки применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок «Стеле», в новых видах взрывного оружия.

В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника.

Трубчатые углеродные нановолокна и фуллерены перспективны для армирования композиционной «суперброни» для танков и бронежилетов.

На коммерческий рынок давно уже вышли не только металлические, но и неметаллические наноматериалы, такие, как оксиды кремния и железа, а оксиды алюминия, титана, сурьмы и др. на этот рынок выходят. Стали уже доступны некоторые карбиды с размером частиц 20. 200 нм.

Таким образом, наноматериалы, имея наноразмерные структурные составляющие (зерна, частицы), характеризуются уникальными характеристиками (удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др.). Особая роль в поведении наноматериалов принадлежит процессам, происходящим на поверхностях и границах.

В зависимости от области применения и требуемых свойств выбирают метод получения наноматериалов (химический, физический, механический и биологический).

Поскольку материалы являются стимулом для созданий новых технологий, а новая технология порождает новый материал или удешевляет известный, то существующая взаимосвязь материала и технологий их получения, обязательно учитывается при выборе наноматериала. Более того, развитие нанотехнологий определяет выбор наноматериалов конкретного назначения.

Основные области применения наноматериалов и возможные ограничения

В качестве наглядного примера можно указать некоторые области применения (или иначе «коммерциализации») наноматериалов по печатным материалам последних лет. Естественно, что данный обзор областей применения наноматериалов ни в коей мере не является цельным, однако он может дать нужное представление о перспективах использования наноматериалов.

Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием [8]. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков [8].

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств [8]. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии [8]. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х10 7 м -1 ) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов [8].

Здесь перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладая повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью [8]. Другим направлением в этой области является использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами С₆₀) и фуллеритов (легированных фуллеренов, например Fe_xC₆₀) [8]. Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок – в условиях ударного износа [8,41]. О разработке сверхтвердых нитридных пленок с наноструктурой сообщается также в [2,3,11]; отмечаются хорошие триботехнические свойства пленок с аморфной и наноструктурой из углерода и нитрида углерода [42], а также из TiC, TiN и TiCN [43]. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20Гпа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05[ 8]. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей [8].

Ядерная энергетика

В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO₂, а в термоядерной технике используются мишени для лазерно-термоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия [8]. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды[8].

Электро-магнитная и электронная техника:

Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов делает перспективным их использование для записывающих устройств [8]. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы [8]. Разработаны наноструктурная никелевая фольга и магнитомягкий наносплав «Файнмет» [2,3,11]. Высокие значения коэрцитивной силы ряда наноматериалов делают перспективным их использование в качестве постоянных магнитов [8]. Углеродные нанотрубки,

напылённые железом, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа Sm_xCo_y применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников [8]. Добавление нанопорошков в состав ряда сверхпроводников может улучшать такие показатели, как температуру перехода в сверхпроводящее состояние и критическую плотность тока за счет образования дополнительных центрами пиннинга [44,45]. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами [8]. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. [4]. Соединение углеродных нанотрубок с различной хиральностью (т.е. скрученностью кристаллической решетки относительно оси трубки) образует нанодиод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора (рис. 3.4.) [4]. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм (рис 3.5) [46]. Фуллерены и наноматериалы на их основе являются перспективными материалами для создания изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники [47]. Композитные фуллереноосновные пленки С₆₀-CdTe при содержание 15…20 мас.% CdTe являются основой для получения регулярных наноструктур с заданными оптическими свойствами (рис.3.6) [36,48]. Нанотехнологии на основе метода метод ионно-атомного осаждения позволяют получать для электронных и оптических изделий нанокомпозиции «покрытие - переходный слой - подложка» из термодинамически несмешиваемых элементов, отличающихся высокой адгезией и стойкостью к внешним термическим и механическим воздействиям, например пленки золота на кремниевых подложках со структурой поверхности в виде набора атомно-гладких сфероидальных сегментов (рис. 3.7) [35,49]. В качестве перспективных полупроводниковых материалов рассматриваются эпитаксиальные слои GaN, в т.ч. на сапфировой подложке, самоорганизация топографической наноструктуры поверхности которых связана с величиной подвижность электронов, особенностями мозаичной структуры и химическим составом (рис.3.8) [34,50,51].

Рис.3.4 Схема полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки диам. 1,6 нм [4].

Рис. 3.5. Нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм: а) вид сверху на подложку с нанопроволоками (РЭМ), б) вид проволок (ПЭМ) [46].

Рис. 3.6. Наноразмерная композитная сетчатая структура с периодом порядка 780 нм и содержанием CdTe: 15 мас.% [36,48].

Рис. 3.7 Трехмерное изображение участка поверхности покрытия из золота на кремниевой подложке размером 3600х3600 Å, полученного методом ионно-атомного осаждения [35].

Рис. 3.8. Изображение топографической наноструктуры поверхности эпитаксиального слоя GaN [34].

б)

Рис. 3.9. Покрытие на основе наночастиц оксида титана: а) структура поверхности, б) смачиваемость цементной плиты с покрытием растительным маслом, дистиллированной водой и спиртовым раствором [52].

Защита материалов

В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего [52]. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами (рис. 3.9).

Медицина и биотехнологии:

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах [8]. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода [53] и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiO_x, SiN_x [54] обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях) [8].

Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий для самолетов, созданных с применение технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей [8]. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем противника (т.н. «графитовая бомба») [8].

Читайте также: