Кроме
покрытий для стекол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным
действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал
для применения в автомобильной промышленности.
Из
серийных моделей автомобилей гидрофобное покрытие наносится на боковые стекла
Nissan Terrano II. Оно не создает полноценный водоотталкивающий эффект, но
уменьшает пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время
дождя стекло остается вполне прозрачным (см. рис. 5).
Рисунок 5. Водоотталкивающий эффект гидрофобного покрытия[16]
По
некоторым сообщениям, концерн BMW работает над созданием самоочищающихся
покрытий на основе нанопорошков.
Компания
Mercedes-Benz с конца 2003 года выпускает модели А, С, E, S, CL, SL, SLK
покрытых новым поколением прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологии.
В состав верхнего слоя такого лакокрасочного покрытия вводят наноскопические
керамические частицы. По утверждению создателей, новое лакокрасочное покрытие
защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак.
По
результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют
блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.
Новое
лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и
полностью отвечает требованиям Mercedes относительно устойчивости к воздействию
химических элементов, находящихся в воздухе.
В
настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся
высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта.
Так российский концерн «Наноиндустрия» наладил серийное производство ремонтно-восстановительного
состава «Нанотехнология». Состав предназначен для обработки механических
деталей, испытывающих трение - двигали, трансмиссия.
При
применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый
железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной
компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих
местах нового модифицированного поверхностного слоя. Использование РВС
позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза за счет замены
плановых ремонтов предупредительной обработкой, снижает вибрации и шум, на
70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других
мер.
В
аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных
аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор,
когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет
интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С
(2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека
от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при
прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии
позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид
материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том
числе автомобильной.
Большие
перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля с помощью
нанотехнологий. Так МикроЭлектроМеханические системы (MEMS) уже расширяют
стандартную технологию микроэлектроники, позволяет объединять в одной микросхеме
элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и
электронов в электрической схеме.
Это
позволяет вместо раздельного производства микроактуаторов и сенсоров, делать их
в виде интегрированного в микросхему единого изделия. При этом для их производства
используется уже апробированная традиционная технология производства интегральных
микросхем и полупроводников.
Идею
подвижного кремния (еще так называют MEMS) прекрасно иллюстрируют
MEMS-акселерометры, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных
подушек безопасности.
Вращающиеся
акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных
систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях MEMS находят применение в
датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т.д. Определяя
положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных
систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также MEMS представляют
интерес для создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество
датчиков и сенсоров на основе MEMS-технологии может составлять до нескольких
десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, MEMS используется
в системах GPS-навигации.
История
развития MEMS насчитывает более сорока лет, но широкое практическое
распространение эти системы получили только с середины 90-ых годов прошлого
века. В настоящее время уже идет речь о развитии NEMS - NanoElectroMechanical
Systems. В результате эволюции MEMS происходит уменьшение до нано размеров
механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их
резонансная частота и уменьшается константы взаимодействия, что сказывается на
значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность
измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10
нанометров.
Развитие
нанотехнологий обещает массовое распространение новых конструкционных
материалов с порою уникальными свойствами и характеристиками. Наибольший интерес
для инженеров и исследователей представляют углеродные материалы, из которых в
настоящее время наиболее изученными, а также наиболее перспективными для целей
практического применения являются углеродные нанотрубки (УНТ). Они обладают
самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными
для использования, в том числе в автомобилестроении.
Баллистический
характер электропроводности УНТ (электроны движутся, как бы скользя по
поверхности, не встречая препятствий) позволит создавать высокоэффективные
электропроводящие узлы различных машин и механизмов, в том числе
автомобилей.
Углеродные
нанотрубки уже находят применение в конструкции современных автомобилей.
Например, инженеры компании Toyota добавляет композиционный материал на основе
УНТ в пластиковые бамперы и дверные панели своих автомобилей. Помимо повышения
прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным,
и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические
детали.
Электронные
системы все более тесно интегрируются в конструкцию автомобиля. Существует
тенденция дальнейшего расширения использования электроники в автомобилях с
одновременным усовершенствованием самой полупроводниковой техники и появлении наноэлектроники
и молекулярной электроники.
Нанотранзисторы,
в том числе с нанотрубками в конструкции будут обладать рядом улучшенных характеристик
и бесспорных преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми:
·
Повышенное
быстродействие;
·
термо - и
радиационная стойкость;
·
миниатюрность;
·
низкое
энергопотребление и как следствие - незначительное тепловыделение при работе.
Большой
интерес представляют нанотехнологии для создания перспективных автомобилей на
топливных элементах.
С
помощью нанотрубок предполагается решить проблему надежного и безопасного
хранения водорода на борту транспортного средства, так как наряду с металлами и
жидкостями углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами и
связывать большое его количество.
Китайские
и американские ученые совместно разработали нанолампочку, в которой нитью
накаливания служит не вольфрамовая проволочка, а углеродные нанотрубки. Лампочка
с УНТ более экономичная - при равном напряжении она испускает больше
света.
Сейчас
конструкторы «гибридных» автомобилей уже сталкиваются с потребностью в
компактных, легких и высокоемких аккумуляторных батареях. Стоит напомнить, что
ставшие традиционными кислотные аккумуляторы не годятся, в силу большой массы,
громоздкости, экологической «небезупречности». С ростом парка гибридов, а также
с массовым появлением водородных автомобилей на ТЭ потребность в автономных
источниках хранения электрической энергии возрастет еще больше. Нанотехнологии
предлагают ряд решений данной проблемы.
В
силу того, что большинство автомобилей будущего будет работать на электрической
тяге, гораздо больший интерес станет представлять использование фотоэлементов в
конструкции автомобиля. В этом отношении нанотехнология позволяет создавать
долговечные, ультратонкие и гибкие преобразователи солнечного света. Кроме
того, использование нанотехнологических принципов позволит получать солнечные
панели с КПД до 80-90%.
Кроме
конструкции автомобиля, измениться структура самой автомобильной промышленности.
Так с
появлением автоматизированной молекулярной нанотехнологии получит новое
развитие уже наметившаяся тенденция - разделение функций разработки/проектирования
автомобилей и их производства с окончательным закреплением приоритета за первой
из перечисленных двух функций. Собственно в будущем автомобильные концерны
будут только разрабатывать конструкции тех или иных моделей автомобилей для
последующей продажи права на их производство методами поатомной сборки
сторонним организациям.
Тем
самым не автомобиль будет товаром, а информация об особенности его конструкции,
что будет полностью соответствовать модели новой экономической формации, где
единственным предметом обмена станет информация.
2.3. Проблемы
и перспективы развития нанотехнологий в машиностроении
2.3.1.
Перспективы развития нанотехнологий в машиностроении
Стратегическими
национальными приоритетами Российской Федерации, изложенными в утвержденных 30
марта 2002 г. Президентом Российской Федерации «Основах политики Российской
Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и
дальнейшую перспективу», являются: повышение качества жизни населения, достижение
экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры,
обеспечение обороны и безопасности страны[12].
Одним из реальных
направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие
нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области
и внедрение их в технологический комплекс России.
Развитие
направлений науки, техники и технологий, связанных с созданием, исследованиями
и использованием объектов с наноразмерными элементами, уже в ближайшие годы
приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности –
в том числе и в машиностроении.
Новейшие
нанотехнологий наряду с компьютерно-информационными технологиями и
биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке,
сравнимым и даже превосходящим по своим масштабам с преобразованиями в технике
и обществе, вызванными крупнейшими научными открытиями XX века.
В развитых
странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть
результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных
программ по их развитию на основе государственной поддержки.
Так, в 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной
нанотехнологической инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент,
способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К
настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по
сравнению с 2000 г. в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710,9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планируется выделить еще 3,7 млрд долл.
Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и
рядом других стран.
В России работы
по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но слабо финансируются и
ведутся только в рамках отраслевых программ. К настоящему времени назрела
необходимость формирования программы общефедерального масштаба с учетом
признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне.
Нанотехнологии
могут стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в
международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения
конкурентоспособности отечественной продукции.
Разработка и
успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации
деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических
проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного,
финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки
отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.
Формирование и
реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит
с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический
потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения,
экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России.
Использование
возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести
значительный экономический эффект в машиностроении:
1.
Увеличение
ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и
эмульсий.
2.
Широкое
внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и
прецизионных станков.
3.
Созданные
с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат
адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений
обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента
непосредственно в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят
снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости та
кого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не
более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее
300-500 тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно
используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на
балансе российских предприятий.
4.
В
двигателестроении и автомобильной промышленности ‑ за счет применения
наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно
добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта,
а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива),
улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных
выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на
внешнем рынках.
5.
В
электронном и электротехническом машиностроении ‑ расширение возможностей
радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с
малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий
связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и
инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование
тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных
устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким
температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на
основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных
системах.
6.
В
энергетическом машиностроении ‑ наноматериалы используются для совершенствования
технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения
эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики
(адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в
несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и
энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и
кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью
для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы
применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных
реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при
хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех
технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных
систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке
ядерного топлива.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
|