Чтение онлайн

Например, американский самолет нового поколения Boeing 787 Dreamliner на 50 % по объему и на 20 % по массе состоит из композитных материалов, в том числе выпускающихся с применением российских технологий.

Как указывается в ряде источников, в новом отечественном авиалайнере Sukhoi Superjet 100 также используется около 1015 % композитных материалов, однако точно не известно, какие это материалы: углеволокно или стеклотекстолитовые и армированные стекловолокном панели.

Нанокомпозиты применяются и при изготовлении деталей автомобильной техники (бамперов, деталей кузова, салона и т. д.), спортивных товаров (рам велосипедов, шлемов, спортивного инвентаря и т. п.), товаров для туризма и отдыха (рыболовных удочек, элементов роликовых коньков и т. д.). Именно этот сегмент рынка обеспечивает самую быструю отдачу от вложенных средств.

В настоящее время мировой рынок композиционных материалов составляет 20,5 млрд долларов, из них только около 2 % принадлежит России. При этом восемь компаний производят около 90 % всей мировой продукции, а три крупнейших поставщика обеспечивают 66 % всего мирового рынка композитов.

Чтобы исправить значительное отставание, корпорация «РОСНАНО» одобрила первый в России интегральный проект «Препрег», цель которого – создание в Москве и Саратове самых современных производственных мощностей по выпуску препрегов широкой номенклатуры на базе нанотехнологий. Уже к 2011 году планируется производить более 300 т нанокомпозитных материалов стоимостью примерно 30 млрд рублей.

Говоря о практическом применении композиционных материалов в машиностроительной и строительной отраслях, следует остановиться на ветряной энергетике. Как известно, ее развитие сдерживается фундаментальной проблемой – тяжестью лопастей (рис. 56). Мощность установки критическим образом зависит от размера лопастей, что не позволяет повысить их конкурентоспособность.

Новые композиционные наноструктурированные материалы дают возможность увеличить длину лопастей «ветряка» более чем в два раза, что выводит их на эффективность, сопоставимую с традиционными видами генерации электроэнергии.

Все более активно нанотехнологии применяются в строительной индустрии и сопутствующих ей отраслях: производстве лакокрасочных и отделочных материалов.

Определенные успехи в области создания наноматериалов для строительства уже достигнуты. В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства разработаны и готовятся к промышленному производству новые наноразмерные модификаторы для строительных композиционных материалов.

Рис. 56. Ветряные энергетические установки – привычное зрелище в Западной Европе

На основе богатых месторождений необходимого минерального сырья в Пензенской области учеными разработаны наноразмерные строительные добавки: гидросиликаты кальция (14–40 нм), кремнеземсодержащий модификатор (17–20 нм) и органо-минеральные добавки (80–90 нм).

Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали новый строительный материал – нанобетон. Специальные добавки (модификаторы) – так называемые наноинициаторы – значительно улучшают механические свойства обычного бетона. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50 %, а вероятность появления трещин – в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2–3 раза.

Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность (рис. 57). Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.

Рис. 57. Улучшение плотности нанобетона: слева – нанобетон, справа – обыкновенный бетон

Аналогичный пример приводит информационное агентство «Росбалт» в публикации «ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии», где указывается следующее: «Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, – это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент».

Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001-0,1 % способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности (марка D 250–300). Обеспечивается также повышение прочности и трещиностой-кости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6–2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.

Дополнительное преимущество разработки – уменьшение содержания в пенобетоне собственно цемента при неизменной прочности.

Новый бетон уже начали применять в строительстве (мост через Волгу в г. Кимры).

Авторы разработок заявляют, что применение наноразмерных строительных композиционных материалов позволяет экономить около 500 рублей на 1 м3 бетона в ценах 2009 года при сохранении и даже повышении его прочностных свойств. В целом по России экономический эффект может составить около 20 млрд рублей ежегодно.

В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практической реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.

Другое направление практического применения нанотехнологий в строительстве – различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса, и биоцидные материалы.

Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном Duravit AG.

На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт – покрытие для плитки Sekcid , разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid SA.  – одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом Cleartec для душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.

В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, – фасадная силикатная краска Kieselit-Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе мокрому истиранию (класс 1, согласно EN 13300). Комбинация пигментов наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски – грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.

Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают целым спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.

Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночастицами серебра подтверждено в натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафталевых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.

Один из примеров использования нанотехнологий – разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.

Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur .

Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта «грязных» частиц, в результате чего эти частицы меньше «прилипают» к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.

Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, во время дождя окрашенная поверхность смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. Гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, а новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту – общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобизации (рис. 58).

Рис. 58. Капля жидкости на наноповерхности эмали

Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению и самоочищающихся поверхностей и покрытий.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.

В настоящее время разработаны специальные пропитки и аэрозоли, позволяющие обрабатывать самые различные материалы: дерево, бумагу, ткань, кожу и даже каменную кладку. Производится специальный материал, получивший наименование «камень-лотос», который не утрачивает гидрофобный эффект даже после обработки шлифовальной бумагой.

Уже создано несколько материалов, позволяющих производить покрытия, которые обладают свойствами «маслобоязни». Они не увлажняются ни водой, ни маслом и могут квалифицироваться как ультрафобные материалы и покрытия.

Вице-премьер правительства России С. Иванов заявил, что пять российских компаний, получивших поддержку в рамках важнейших инновационных проектов, уже производят нанопродукцию в объеме более 8 млрд рублей в год. «Это не “нанопурга”, как иногда говорят критики», – отметил С. Иванов. Например, на «Северстали» уже приступили к серийному производству уникальных сплавов с двукратным улучшением эксплуатационных свойств. Эти материалы предназначены для сооружения конструкций, эксплуатируемых в экстремальных условиях, в частности при разработке нефтегазовых месторождений отечественного арктического шельфа. В настоящее время объем продаж составляет около 2 млрд рублей в год, но он может быть увеличен более чем в 100 раз.

Одним из направлений современных практических исследований, где нанотехнологии позволили добиться значительных результатов, является наноинженерия поверхности – научнопрактическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов и структур с заданными (прочностными, триботехническими, самоочищающимися и т. д.) свойствами либо аналогичных объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.

Фактически область, которую в настоящее время принято называть нанотехнологией в нашей стране, является наноинженерией и, частично, наноиндустрией на начальной стадии развития.

Рассматривая нанотехнологию (наноинженерию объектов) по Дрекслеру, следует иметь в виду, что именно это и называется технологией «снизу вверх», при которой более сложные объемы строятся из отдельных атомов, молекул и наноструктур. В отличие от такого подхода, технология «сверху вниз» предполагает получение малых изделий из больших объемов конструкционного материала.

По второму пути человечество следует со времен своего возникновения. Первобытной человек из большого камня путем неимоверных усилий изготовлял себе наконечник для стрелы, затем топор или мотыгу. Одного неверного движения было достаточно, чтобы многодневный труд пришел в негодность. Современное производство, особенно машиностроение, не говоря уже о ремонтном производстве, недалеко ушло с нижнего уровня в направление «верхних» технологий по Дрекслеру. При изготовлении ряда деталей в процессе механической обработки до четверти объема материала заготовок переводится в стружку.

Среди методов наноинженерии изделий главное место принадлежит созданию различных наноструктур и нанообъектов методами силовой зондовой микроскопии (СЗМ), основные методы которой представлены в табл. 11.

Таблица 11. Прикладные методы силовой зондовой микроскопии

С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомного силового микроскопа эти приборы из аналитических установок превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования поверхностей на нанометровом уровне. Основные факторы данных технологических процессов определяют локальные электрические поля (сравнимые с внутримолекулярными и атомными), супервысокие плотности токов и вызываемое ими электродинамическое воздействие, а также сверхплотные локальные потоки теплоты и механические деформации.

Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к регистрируемой локальной наномодификации или наноструктурированию поверхностей. При использовании сканирующих зондовых микроскопов как источника электронов для экспонирования электронорезистов и последующего проявления в стандартных растворах достигается разрешение до 50 нм. Так, методом, основанным на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии через мениск воды, разъединяющий зонд и подложку, были нанесены линии до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой.

Путем термомеханического стимулирования фазового перехода «полимер – стекло» обеспечивается формирование углублений в пленках поликарбоната размером до 100 нм. Термомеханическая литография является базовой идеей создания терабитных запоминающих устройств, разработанных компанией IBM.

Широкое распространение в зондовой литографии получил метод локального зондового окисления (оксидирования), который позволяет создавать оксидные области с типичными линейными размерами 3 нм (рис. 59).