Нанотехнологии в индустрията и енергетиката
Основните изследвания на явленията, протичащи в структури с размери по-малко от 100 нанометра, са довели до развитието на нови знания, които, очевидно, в обозримо бъдеще ще доведат до революционни промени в технологиите на XXI век. Такива структури съответстват на състояние на материята, когато тяхното поведение се проявява в доминиране на принципно нови явления, включително квантови ефекти, статистически временни вариации на свойства и тяхното мащабиране-в зависимост от размера на структурите, преобладаващото влияние на повърхността и т.н. Тези явления придават на наночастиците и структурите им уникални механични, електрически, магнитни, оптични, химически и други свойства, които отварят вратата към изцяло нова област на манипулиране на материята.
В статията ще разкажем за създаването на наноконструкционните материали, за наноинженерството на повърхността, за нанотехнологиите в машиностроенето и енергетика.
Текст: списание Енергия
Проблемът с катастрофите на различни физически предмети на земята, във водата, във въздуха, и в космоса, е свързан основно с качеството и надеждността на машините. Той не може да бъде решен без вземане на предвид на еволюционното развитие на структурния материал, във всички етапи от жизнения му цикъл. Разбирането на понятието "технологичен мониторинг" в контекста на новата метрология за обемно наноструктуриране, ще позволи да се реши проблема с осигуряване на качеството и увеличаване ресурса на оборудването, елиминиране на нуждата от завишаване на запасния коефициент на якост, с което се повишава конкурентоспособността. Патентовани са нови методи и ресурсо-спестяващи нанотехнологии, като подобрена експлоатационна продължителност, уякчаване-на твърди сплави, на неръждаема стомана, на инструментални и конструкционни стомани, ковашко заваряване на многопластови композиции и производство на цяло кована неръждаема дамаска, квази-аморфно модифициране с карбиди и силициеви оксиди. Така ресурса на продуктите с различно приложение, произведени чрез нови методи за машиностроителните отрасли се повишава от 200 до 500%.
Времето на еднометалите свърши. Вече не е нужно да се търсят най-необходимите характеристики в традиционните материали. Разширяване на параметрите им е възможно само с използване на композиционни структури-полимери, метал-полимери, металокерамика, използване на работни повърхности, получени в резултат от инженерно въздействие. Износването обикновено е 1-2mm. Следователно, няма нужда да се модифицира целия обем на метала, а само работната повърхност. Нанасянето на покритие с механични средства, като пресоване, използването на ултразвук и дори наноинженерство на повърхността, са реалностите на днешния ден. В областта на машиностроенето и енергетиката развитието на нанотехнологиите се извършва в две посоки, а именно създаване на конструкционни материали и наноинженерство на повърхността.
Създаване на наноконструкционни материали
Създаването на принципно нови конструкционни материали с включването на ултрадисперсни-нанодисперсни елементи бе напаравено по следния начин. Първото направление е с добавяне на ултрадисперсни елементи като легиращи добавки. За конструкционните материали в областта на машиностроенето и енергетиката, използването на фулерени-молекула от въглеродни атоми във формата на куха сфера, е много скъпо удоволствие. Другото напаравление е създаването на ултрадисперсни системи от неметални включвания в стомани и сплави, чрез термопластична, термична или пластична деформация.
Оказало се е, че експлоатационните свойства на конструкционните материали могат да се регулират не само с въвеждането на легиращи елементи, а също и чрез деформация от всякакъв вид. При такова въздействие протича раздробяване на неметалните включвания. Традиционните отгрявания, отвръщания са нищо друго, освен на нанотехнологии в металургията. В резултат от подобни ефекти се получава стомана, в която високата якост в съчетание с пластичност, води до точно тези качества, които липсват в енергетиката, машиностроенето-производството на материали с желани характеристики. А нанотехнологиите позволяват успешно да се получават такива материали.
Лидери в тази област са САЩ, Китай, Япония и Корея. Те са разработили термопластични методи за изменение на характеристиките на металите и сплавите. Металът с определена скорост се нагрява до състояние на свръхпластичност, което позволява да се направят няколко промени в размера на изковките без механично повреждане. След това с определена скорост се извършва охлаждане.
Наноинженерство на повърхността
Лидер в наноинженерството на повърхността е Европа. Установено е, че за една година в областта на нанотехнологиите в САЩ се регистрират около 2300-2600 патенти, в Япония около 800, в Корея и Германия, около 150-200. Най-голям е броя на патентите, свързани с проблемите на повърхностните изменения или структурното приспособяване на повърхностния слой, т.е. наноинженерство на повърхността.
Ако условията на експлоатация не изискват получаване на нанохарактеристики в целия обем/дебелина на материала, то тогава е достатъчно те да се получат в повърхностния слой. Последният се формира с нанасянето на подходящо покритие. За целта се прилагат всички сега съществуващи нанотехнологии, като покриване, метализация, наваряване и т.н. Най-модерните технологии за нанасяне покрития, наброяват повече от 200. Възможно е да се получат покрития с много по-различна дебелина и адхезия. Специално място в наноинженерството на повърхността, заемат активните минерали. В резултат на технологичните въздействия върху повърхността, те образуват вторични структури в триещите се възли-вторични трибо-структури. Най-изследваните минерали, образуващи тези структури са серпентинит, шунгит-аморфен въглерод и др. Прилагането на тези минерали на повърхността, теоретично дава възможност за постигане на неизносващ ефект.
Покритията могат да се полагат чрез механично впресоване, натриване, ултразвукова обработка т.н. Всеки метод се отличава с адхезионна стойност, дебелина и работен ресурс за формиране на слой. Получаването на структурно покритие е повторение на природните принципи. Така, при използване на ултрадисперсни системи с размер на частиците не по-голям от микрометър, прахът се полага върху повърхността, елиминира образуването на неуплътненост, кухини и т.н. Активните минерали съдържат мед, титан, цинк, калай и т.н. Те често се използват като покритие в машиностроенето, енергетиката и т.н. Имат висока устойчивост, на корозионно, абразивно и механично износване, ръжда и водородна крехкост-износване.
Втората област на приложение на нанотехнологиите в областта на машиностроенето и енергетиката, са измененията в екслоатационните свойства на горивата. В САЩ за тази цел първоначално са използвани фулерени, но по-късно преминават на ултрадисперсни системи от алуминиев оксид. В горивото на ракетните двигатели в днешно време се добавят и други компоненти, поради което фулерените стават доста скъпи. Получавнето на фулерени е силно поглъщащ енергиен процес, и доскоро тяхната стойност е била стотици долари за 1 грам.
Използването на емулсията ”вода-гориво”, за да се пести гориво-особено в режими, близки до пълна мощност, отдавна е известно на енергетиците. Допустимата концентрация на вода във водо-горивните емулсии, при която се осигурява стабилна работа на енергийната мощност, зависи от размера на частиците. За енергийните мощности със система за изгаряне, е достатъчно, да се ограничи разделянето на водните частици до 15 микрометъра. Това осигурява стабилна работа на системата за изгаряне, при съдържание на вода в емулсията „вода-гориво” до 25-30%. При допълнително разделяне на водата, става възможно емулсуията „вода-гориво” да се използва в двигателите с вътрешно горене. Ако размерът на частиците е по-малък от 1 микрометър, стабилната работа на топлинния двигател в почти всички видове режими се осъществява от емулсията „вода-гориво” със съдържание на вода до 80%.
Ултрадисперсните системи стават центърът, около който се осъществява горивния процес. Навсякъде по света в днешно време се работи върху подобряването на ниската калоричност на неефективните горива. За това се прилагат изкуствени и естествени ултрадисперсни системи. От направените изследвания е установено, че добавянето на активни минерали до 1,5-2% от теглото на горивото, позволява постоянно да се увеличава неговата по-ниска калоричност от около 10%. С увеличаване на концентрацията на активните минерали в горивото, на повърхността на горивната камера се образува филм, който започва да играе ролята на катализатор.
За равномерното разпределение, активните минерали се добавят в смазкатата. С размер от 1000 нанометра и по-малко, частиците не се отделят в утайка. Въвеждането на фулерени в горивото или в смазката не осигурява идеален ефект. Износоустойчивостта на повърхността се увеличава, но адхезията на нанесения слой не остава добра . Важен фактор, при въвеждането в горивото на активни минерали или ултрадисперсни системи, е промяната в състава на емисиите на отработените газове- по съдържание на азотни оксиди.
Следващата област от приложението на нанотехнологиите в инженерното вуздействие на повърхността, е водородната енергетика. Въглеродните нанотръби се използват в устройства за съхранение на водород. Някои експерти смятат, въглеродните нанотръби за панацея, с което се елиминира използването на метали от групата на платината. В същото време, те увеличават числата на водородния капацитет на 12-16%. Но японските учени опровергават тези прогнози, като го ограничават на 4-6%. Идеален вариант за енергийна машина на теория, е възпроизвеждането на естествения принцип на фотосинтезата, което се опитват да направят японските учени в изкуствени структури.
По-нататъшния напредък в енергийния сектор включва преодоляване на ограничително-структурните характеристики на материалите. През 2012 г., якостта и топлоустойчивостта на материалите, използвани в машиностроенето се е увеличила с 4 пъти. Горната температура се ограничава на 3000°С. Необходимите материали няма да се получават с легиране, а чрез термопластична или пластична деформация. Японските експерти смятат, че бъдещето е на ъгловата деформация-ъглово преместване с високо налягане. По този начин, принципно от чугун може да се получи високоякостна стомана. Така в резултат на тези трансформации се променят характеристиките.
Важно в областта на нанотехнологиите е да се получат материали с принципно нови характеристики. Да се каже, че тяхната уникалност се свързва само с размера, не е вярна. Колкото по-висока е енергийната плътност на матриала, която се определя от кристалната структура, толкова по-големия размер на частиците може да се ограничи. Цял клас от материали притежават уникални свойства в микронни размери. Решаващи са структурата и плътността на вътрешната енергия. Размерът не е първичен. Смята се, че наноструктурираните стомани са десетократно по издръжливи от обикновените.
Нанотехнологии в машиностроенето
Възможностите на нанотехнологията може да допренесе в близко бъдеще значителен икономически ефект в областта на машиностроенето, като увеличаване на ресурса на режещи и обработващи инструменти със специални покрития и емулсии, широко внедряване на нанотехнологичните разработки в модернизацията на инструменталния парк от стругове с висока точночност и прецизност.
Създадените с помощта на нанотехнологиите методи за измерване и позициониране, осигуряват адаптивен контрол върху режещите инструменти. За целта директно в технологичния процес се извършват оптични измервания на повърхността на детайла и работната повърхност на инструмента. Например, тези решения довеждат до намаляване на грешката в обработката от 40 микрометъра до стотици нанометри.
В автомобилната индустрия, чрез използването на наноматериали и по-точното обработване и възстановяване на повърхностите, може да се постигне значително-до 1,5-4 пъти увеличаване на експлоатационния срок на автотранспортните средства, намаляване на разхода на гориво, шума и газовите емисии.
Нанотехнологии в атомната енергетика
Според експертите съвременните нанотехнологии в атомната индустрия са фокусирани главно върху разработването и внедряването, на специална наносистемна технология за гарантиране на безопасността при употребата на атомна енергия, повишаване на нивото на екологична безопасност и комфорта на обитаваната среда, на интелигентни наноматериали и нанотехнологии за подобряване на ефективността на физическата защита на радиационно-опасни обекти, на принципно нови радиационно-устойчиви структурни материали и високо ефективно ядрено гориво за атомната енергетика, на електрически, магнитни и свръхпроводящи материали и продукти за широко прилагане в енергетиката, особено атомната.
Перспективите за развитието на атомната енергетика на основата на нанотехнологиите, са свързани главно с намаляване на специфичното потребление на природен уран, главно поради по-високото дълбочинно изгаряне на ядреното гориво. За това се изследват създаването на по-едри кристални структури на ядрени материали с контролирана и добре дефинирана порьозност. Такива материали ще допринесат за ефективното запазване на продуктите на делене и ще затрудняват транспортирането на парчета от делене към обвивката на топлоотделящите елементи и нейната вътрешна повреда. В допълнение, активирането на процеса на агломериране чрез добавки с нанометричен размер, се смята от специалистите за един от най-перспективните области за развитие на нови видове уран-плутониеви оксиди и нитриди за атомната енергетика.
С нанотехнологиите експертите също свързват решението на проблема за осигуряване на радиационната устойчивост на обвивката с високите характеристики за топлоустойчивост. Например, решението на този проблем може да се основава на използването на нов клас от структурни материали за елементите на активните зони в усъвършенствани атомни реактори-устойчиви феритно-мартензитни радиационни стомани, уякчени частици с нанометров размер на оксиди-т.нар. DUO-steel-Russian. Технологията на производство на „DUО-стоманата” включва, получаване на хомогенни бързо-закалени ултрадисперсни прахове със сферична и люспеста форма чрез центробежно разпръскване на стопилката, твърдо-фазово легиране на матричен материал с нанодисперсни оксиди на итрий, уплътняване на ултрадисперсни или нанодисперсни прахове и термомеханична обработка на продукти, за създаване в матрицата от стомана на отделяне на итрийеви оксиди с нанометърни размери. Изследвания са показали, че наноструктурираната „DUO-стомана” запазва достатъчно високо остатъчно удължаване след обработване със степен на деформация до 60%. В допълнение, предреакторните тестове на тези стомани в експериментално-промишлени условия са показали многократно увеличение на параметрите-до 8 пъти на топлоустойчивост в сравнение с традиционно използваната стомана.
Перспективите на нанотехнологиите могат да бъдат свързани със създаването и на т.нар борна неръждаема стомана. Например, разделянето на бориди на нанометърно ниво-от 5-100 нанометра, може да увеличи съдържанието на бор от 3-4 пъти при поддържане на еластичността и заваряемостта на неръждаемите стомани. В общи линии, новите конструкционни материали са в състояние да удължат експлоатационния срок на атомните реактори.
През последните години, експертите от атомната индустрия са установили, че най-ефективният начин да се гарантира радиационната издръжливост е образуването на твърд разтвор на наноструктурирани решетки от атомни комплекси с близко подреждане-уловител на свободни места с период от 5-10 нанометра, сравнима с радиационния свободен пробег на точковите дефекти. За разлика от конвенционалното разграждане на реакторните материали, свързани с появата на трошливост при радиация. Високото дозирано облъчване на такива сплави, напротив, води до повишаване на тяхната якост при запазване на вискозитета. По този начин, нанотехнологиите, в действителност, дават нова посока в радиационното материалознание - създаване на конструкционни материали, "положително" реагиращи на радиационния фактор.
Не по-малко от значение за ядренатa енергeтика е създаването на универсална филтърна система от микро- до нанометърни размери. Такива метално-обемни нанофилтри са твърде перспективни за използване в системите за водоподготовка и пречистване на охлаждащата вода от реакторите в АЕЦ. Преминаването към нанометрична структура ще увеличи токоносещия капацитет на свръхпроводниците, използвани в атомната индустрия. С това магнитните нанокомпозитни материали подобряват техническите параметри на магнитните системи, като същевременно намаляват техния размер. Порестите наноскелети на функционалните материали-метали, междуметални съединения и керамика, с размер на клетка с микронен мащаб и дебелина на стената от порядъка на 10-40 нанометра, се използват за създаването на свръхякостни и свръхлеки конструкционни материали.