Нанокомпозиты конструкционного назначения

Металлические, керамические, полимерные и композиционные материалы составляют основную часть конструкционных материалов.

Металлические материалы обладают наилучшим соотношением между прочностью и пластичностью по сравнению с другими конструкционными материалами.

Недостатком конструкционных полимерных и особенно керамических материалов является низкая пластичность по сравнению с металлическими материалами.

Удельные характеристики прочности и пластичности композиционных материалов занимают промежуточное положение между керамическими и полимерными материалами. Указанные преимущества металлических конструкционных материалов определили то, что доля стали в общем объеме конструкционных материалов превышает 90%.
В последние годы наметились новые направления повышения свойств конструкционных материалов за счет формирования микро- и нанокристаллической структуры.
Значительный интерес к объемным наноматериалам обусловлен тем, что их конструкционные и функциональные свойства значительно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов. Для получения наноматериалов конструкционного назначения используют различные методы, которые можно разделить на четыре группы:

1.порошковая металлургия (компактирование нанопорошков);

2.кристаллизация из аморфного состояния;

3.интенсивная пластическая деформация;

4.различные методы нанесения на ноструктурных покрытий.

Нанокомпозиты в автомобилестроении

Автомобильная промышленность проявляет большой интерес к нанотехнологиям, обеспечивающими новые возможности значительного уменьшения веса, улучшения эксплуатационных качеств, внешнего вида и пригодности к переработке для вторичного использования. Также исследуются новые направления использования нанокомпозитных материалов.

Изготовители комплексного оборудования и ряд поставщиков в сотрудничестве с академическими институтами, такими как Университет штата Мичиган (Michigan State University) и Университет Цинциннати (University of Cincinnati), стремятся найти перспективные области применения этих новых материалов. Нанотехнологии вызывают изменения во всей автомобильной отрасли, почти на каждом уровне использования материалов, комплектующих частей и систем. Буквально в каждом выпущенном в США автомобиле используются какие-либо из нанокомпозитных материалов, чаще всего это углеродные нанотрубки в сочетании с нейлоном, используемые в топливной системе для защиты от статического электричества. Компания Hyperion Catalysis планирует вводить нанотрубки в другие полимеры, применяющиеся в топливных системах автомобилей. Новый компаунд фторполимера с нанотрубками применяется при изготовлении уплотнительных колец для топливной системы автомобилей. Более десяти лет назад компания Toyota впервые применила при производстве автомобилей коммерческие нанокомпозиты, разработав композит нейлона с наноглиной для жесткого и термостойкого покрытия нейлоновых зубчатых ремней. Начиная с 2002 года, компания General Motors успешно применяет первые промышленные композиты с наноглинами и нанотальком при изготовлении накладок порогов для минивенов Safari и Astro; сейчас компания использует почти 250 тыс. кг нанокомпозитных материалов в год для изготовления различных наружных автомобильных частей и накладок, включая некоторые части автомобиля Hummer H2 SUT. Кроме композитов термопластичных эластомеров с наноглиной, компания исследует возможность применения углеродных нанотрубок для замены существующих термореактивных конструкционных композитов. Компания Dow Automotive развивает процесс реактивной экструзии для производства нанокомпозитов на основе наноглин и циклического бутилентерефталата (ЦБТ), производимого компанией Cyclics Corporation. Компании Further, Sud-Chemie AG и Putsch Kunststoffe GmbH разрабатывают семейство нанокомпозитов ELAN XP для внутренней отделки автомобилей на основе смесей полипропилена (ПП) и полистирола (ПС). ПП и ПС в обычных условиях несовместимы, однако минеральный наполнитель Nanofil компании Sud-Chemie образует с ними устойчивые к царапинам компаунды с приятной на ощупь однородной матовой поверхностью. Специалисты компании Ford's Research and Innovation Center также изучают ряд нанокомпозитных материалов, разрабатывая улучшенные покрытия и прочные материалы с повышенной износостойкостью. Компания образовала совместное предприятие с компанией Boeing и Северо-западным университетом США (Northwestern University) для исследования промышленного применения нанотехнологий. В последние годы постепенно расширяется применение в автомобилях электропроводных полимеров. Область применения электропроводных полимеров простирается от наружных кузовных панелей, до оптических микропереключателей, наноразмерных интеллектуальных переключателей и датчиков. Термопластические нанокомпозиты, содержащие взвесь углеродных нанотрубок, стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых полимеры заменяют традиционную сталь. Электропроводные полимеры разрабатываются также для использования в наружных панелях кузова, они могут быть окрашены на тех же электростатических окрасочных линиях, что и заменяемые ими стальные детали, позволяя значительно сократить капитальные вложения в монтаж нового оборудования по сравнению со специальными окрасочными линиями для окраски пластиковых панелей. Среди основных направлений применения нанокомпозитов в автомобилестроении в последующие 10 лет прогнозируется появление систем хранения водорода, топливных элементов и батарей суперконденсаторов. Эти направления окажут существенное влияние на создание новых устройств выработки и хранения электроэнергии, применяемых в автомобильной промышленности. Такое свойство нанокомпозитов, как огнестойкость, также обеспечит создание новой области применения – для оформления салона автомобиля, в то время как нанокомпозиты на основе биопластиков позволят пересмотреть отношение ко вторичному использованию и биоразложению материалов. Компания General Motors постепенно расширяет использование нанокомпозитов в своей продукции, уменьшая вес транспортных средств при одновременном обеспечении требуемого качества, пригодности для повторного использования и умеренной стоимости. В 2002 году компания успешно внедрила первый промышленный нанокомпозитный материал для внешнего оформления автомобилей на своих минивенах GMC Safari и Chevrolet Astro. Компания Blackhawk Automotive Plastics, Inc. выпускает деталь – порог-подножку из термопластического олефина с включением хлопьев наноглины размером 1 нанометр производства компании Southern Clay Products. Порог оказался более прочным и менее ломким при низких температурах, чем изготовляемые с применением обычного наполнителя – талька, и почти в десять раз легче. В 2004 году компания расширила применение нанокомпозитных материалов боковыми молдингами кузова для своих Chevrolet Impala, одного из самых крупногабаритных автомобилей компании GM, и Chevrolet Cavalier Coupe. Хотя и было достигнуто некоторое уменьшение веса, основным преимуществом внедрения нанокомпозитных материалов в эти части стало устранение тенденции деформации молдингов. Для достижения того же модуля изгиба требуется вчетверо меньше наноглины, чем традиционного талька. Нанокомпозит оказался также более устойчивым к царапинам и малым перегибам несущего листа кузова, эти преимущества были оценены большинством покупателей продукции компании GM. Зависимость модуля изгиба от количества минерального компонента. Многофункциональный универсал Hummer GM H2 SUT (грузовой пикап) представляет собой новейший в линейке продукции компании автомобиль, в котором применяются легкие нанокомпозитные материалы с улучшенными характеристиками. В грузовой платформе каждого пикапа H2 SUT используется приблизительно 2,6 кг формованных окрашенных нанокомпозитных деталей: для центральной полки, панелей стоек, ограждения верхних кромок кузова и отделки. Прочные нанокомпозитные материалы имеют меньший вес, более устойчивы к царапинам, чем ранее используемые материалы, и лучше прилегают к кузову, поскольку не изменяют форму при колебаниях температуры, улучшая таким образом качество транспортного средства в целом. Компания Basell USA производит нанокомпозитные материалы на основе термопластичных полиолефинов и при использовании формы SportRack для изготовления деталей автомобилей Hummer, собираемых компанией GM на заводе в Мишавоке, штат Индиана. В настоящее время компания GM использует ежегодно приблизительно 250 тыс. кг нанокомпозитных материалов, что, как полагают, является наибольшим в мире количеством используемых олефиновых нанокомпозитных материалов. Как заявил Вилл Родджерс, научный сотрудник Центра исследований и разработок компании GM, «В будущем наши нанокомпозитные материалы будут применяться в не несущих деталях наружной обшивки, для оформления салона и внешней отделки». Нанокомпозитный материал, используемый в транспортных средствах компании GM, был разработан Центром исследований и разработок компании GM в Уоррене, штат Мичиган, в сотрудничестве с компаниями Basell и Southern Clay Products, Inc. Применение композиционного лака компании Мерседес-Бенц обеспечивает существенно более высокую стойкость к царапанью, а также имеет повышенный блеск по сравнению с обычной автомобильной краской. Разработанный недавно прозрачный лак, который компания Mercedes-Benz использует в качестве внешнего покрытия, содержит наноразмерные керамические частицы. Нанотехнологии обеспечивают интеграцию наноразмерных керамических частиц в молекулярную структуру связующего агента. Термореактивный акрил служит первичной основой лака; используются также варианты с термореактивными алкидными смолами и полиуретаном. Система из керамических частиц и лака отверждается в сушильном шкафу, создавая выраженно сетевидную чрезвычайно плотную и равномерную пространственную структуру на поверхности покрытия. Прозрачное покрытие с наночастицами образует защитный слой, который отличается значительно большей устойчивостью к царапинам, например, наносимым в процессе контактного мытья. Компания Mercedes утверждает, что внедрение керамических наночастиц в это защитное наружное покрытие позволяет в 2-3 раза повысить устойчивость к царапинам, обеспечивая высокую стабильность глянца в течение длительного промежутка времени. Эффективность новой технологии покрытия продемонстрирована как в экстремальных испытаниях, проводимых в лабораторной мойке согласно стандартам DIN, так и при обычных условиях. После десяти циклов в лабораторной мойке, эквивалентных разрушительному влиянию приблизительно 50 – 100 обычных моек, датчики блеска показали для обычной краски только 35% из 100% максимально возможных по шкале блеска, а для нанокраски – 72%. Рис. 4. Новое прозрачное нанопокрытие (слева) в сравнении с традиционной окраской (справа) после 5 лет практических испытаний и 60 моек. Перспективные разработки Volkswagen.Группа исследования материалов компании Volkswagen выполняет многочисленные перспективные проекты в области применения наноматериалов. Необходимость придания привлекательного вида поверхностям внутри и снаружи автомобиля стимулирует изучение влияния различных химических групп, введенных в вещество из которого изготавливают поверхности, на свободную поверхностную энергию различных материалов. Разработки новых красок также могут привести к созданию покрытий, достаточно скользких (неадгезивных) для налипающих на поверхность загрязнений. В перспективе возможно создание самовосстанавливающихся покрытий, обеспечивающих устранение царапин по мере их появления. В этом направлении возможны и более фантастические перспективы создания красок, позволяющих изменять цвет автомобиля по желанию пользователя. Компания исследует использование нанотехнологий для предотвращения запотевания ветровых стекол, окон и зеркал, а также создания активированных автомобильных стекол, фильтрующих тепловое излучение и устраняющих «эффект духовки» при парковке автомобиля под интенсивным солнечным облучением. Производитель автомобилей также разрабатывает наноматериалы для моторного отсека, уменьшающие трение в движущихся частях, снижающие расход масла, продлевающие срок службы механизмов. Нанотехнологии уже используются в популярных современных моделях транспортных средств компании Volkswagen. На приборной панели и панели управления используются антибликовые покрытия; нанотехнологические материалы, предотвращающие ослепление ночью, автоматически затемняют зеркала заднего вида, ослабляя свет фар обгоняющих автомобилей.