1.5. Практическое применение нанотехнологий

1.5.1. Для конструкционных материалов оптотехники

Практическое применение нанотехнологий конструкционных материалов в области создания и управления естественно-гетерофазными наноструктурами металлических сплавов впервые началось в 60-х годах прошлого столетия, после успешного освоения электронной микроскопии большой разрешающей способности и рентгено-структурной техники, позволившей наблюдать тонкую блочную структуру о разрешением до 100-150 нм, определять стехиометрию избыточных фаз, параметры атомно-кристаллических ячеек на уровне 0,1-10 ангстрем, а также развития теории дислокаций [ 7, 6 ].

В нашем институте исследование тонкой структуры конструкционных материалов, совместно с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова АН СССР (РАН) и Всесоюзным (Всероссийским) институтом авиационных материалов, началось в 80-х годах прошлого столетия на высокопрочных коррозионно-стойких и технологичных высокоазотистых сталях, разработанных лабораторией №7 под руководством академика РАН О.А. Банных, и внедрённых в производство в качестве материала инструмента для разделения монокристаллов полупроводниковых материалов на подложки фотопреобразователей низкой себестоимости [ 20 ].

Успешное сотрудничество кафедры КиТОП МИИГАиК с вышеназванными организациями, отражённое в трёх десятках научных статей, ссылки на которые опубликованы в пособии [ 1 ], позволило внедрить новые высокопрочные технологичные коррозионно-стойкие высокоазотистые стали в серийное производство упругих деталей угломерных геодезических приборов Уральского оптико-механического объединения [ 21 ], а также в учебный процесс для студентов факультета оптико-информационных систем и технологий, ВФ, ФЭУТ и ГУФ нашего университета.

После инструментальной научно-технической революции и освоения сканирующей зондовой туннельной микроскопии, лазерных атомно-силового и ближнепольного оптического микроскопов атомного разрешения, возникли такие междисциплинарные понятия, как нанонаука и нанотехнология, которые, в свою очередь, привели к возникновению отрасли технологии "снизу-вверх", помимо классической технологии "сверху-вниз", установлению характера изменения различных свойств материалов в нанообласти, а также возникновению понятий: наномир, самоорганизация, самосборка и самозалечивание системы и т.д.

Нанотехнологии позволяют с меньшими затратами получать материалы и изделия не просто с улучшенными свойствами, но и с намного превосходящими существующие. Создание наносистемы заключается в целенаправленном ведении того или иного технологического процесса путём управления атомно-молекулярным взаимодействием с целью получения компонентов системы не только в пределах наночастиц, но и в заданном сочетании их как по объёму, так и по массе.

Академики Шевченко В.Я., Шудегов В.Е. и Платэ Н.А. в концепции развития работ по нанотехнологиям [ 2 ] в области перспектив развития конструкционного материаловедения указывают, что "наноразмерные частицы и композиты - это фундаментальные изменения способов изготовления материалов и приборов", не наблюдавшихся ранее в природе, которые приведут "к разработке наноструктурированных металлов, керамик и полимеров строго определённых форм без механической обработки".

Нанотехнологии в области конструкционного материаловедения находятся в зачаточном состоянии, но в соответствии с работой [ 2 ] к настоящему времени в России получены:

- наноалмазы как модификаторы конструкционных пластиков, повышающие уровень конструкционных свойств (с.69);

- основы плазменных технологий нанопорошков вольфрама, молибдена, никеля, кобальта, ниобия, тантала и их металл-углеродных композиций (с.71);

- алмазная и алмазоподобная ударопрочная наноструктурная керамика для режущего инструмента и получения гетероструктур с размером алмазных частиц 50-100 нм с целью повышения прочности, трещиностойкости и износостойкости по сравнению с известными ныне алмазными керамиками (с.78);

- конструкционные нанокомпозиты на основе оксидных керамических материалов для энергетического оборудования (с.83);

- нанотрубки хризотила, цилиндры, конусы и муфты диаметром 5-40 нм и длиной 0,1-1мкм (с.84);

- оксидные нанопорошки 40-50 нм для изготовления керамических материалов с повышенными прочностью и плотностью на основе системы окислов циркония, иттрия, урана и селена (с.85);

- для авиакосмической и ракетной техники получены наноструктурные стеклокристаллические покрытия на основе тугоплавких соединений для защиты деталей из углеродных материалов при рабочих температурах выше 1400°С (с.89);

- проводятся фундаментальные исследования в области наносистем и наноструктур для создания износостойких конструкционных материалов в направлении синтеза нанокомпозитных плёнок на основе карбидов вольфрама и углеродных нанотрубок, заполненных фторидами железа (с.91);

- проводятся исследования по созданию электрореологических жидкостей, изменяющих свои физико-механические свойства в электрических полях, компонентами которых являются наноразмерные композиты на основе диоксидов титана и кремния для электроуправляемых демпферов, захватов, муфт сцеплений, клапанов и устройств для прецизионной полировки поверхностей (с.97);

- разрабатываются конструкционные нанокомпозиты, включающие нанокластеры металлов, с уникальным сочетанием специальных и механических свойств (с.102);

- разрабатываются технологии манипулирования одиночными молекулами для нанооптики, наномеханики и наноэлектроники (с.104);

- установлено образование металлофулеритов в стали на основе дисперсных механически легированных порошков для связки алмазного инструмента (с. 110);

- разработаны основы получения нанодисперсных порошков цветных металлов и сплавов методом испарения-конденсации и создана технология высокопроизводительных процессов, позволяющих получать порошки с заданными свойствами (с.147);

- разработана технология получения карбидов переходных металлов в нанокристаллическом состоянии путём размола в шаровых планетарных мельницах из твердосплавного материала для применения в металлообработке и микроэлектронике (с.150);

- в результате нанокристаллического карбидного дисперсионного твердения высокопрочных аустенитных сталей обнаружен эффект памяти формы с вдвое большими прочностными характеристиками, чем у известных железных сплавов (с.169);

- при помощи формирования деформационных нанокристаллических структур в переходных металлах и сплавах, установлен конечный средний размер кристаллов в пределах от 3 до 50 нм в зависимости от подвижности дислокаций материала с пятикратным уровнем упрочнения (с.172);

- впервые установлен факт образования в тонком (до 10 мкм) поверхностном слое любых металлических материалов, подвергнутых воздействию сухого трения скольжения, нанокристаллической структуры размером 10-100 нм, которая определяет прочностные и трибологические свойства металлических поверхностей (с.174);

- разработана новая нанотехнология получения нанокристаллических алюминиевых сплавов, совмещающая микролегирование (0,5-3%) добавками переходных металлов с интенсивной пластической деформацией; новая технология переводит сплав в высокопрочное состояние с пределом прочности 650 МПа за счёт проведения температурно-временной обработки и закалки расплава от жидкого состояния и интенсивной пластической деформации и термообработки в твёрдом состоянии за счёт формирования нанокристаллической структуры аномально пересыщенных алюминиевых твёрдых растворов (с.175);

- созданы основы технологии и установки для получения нанопорошков (10-100 нм) оксидов и нитридов металлов и сплавов методом электрического взрыва проволоки и испарения мишеней импульсным СО₂ лазером, что увеличило износостойкость лопаток турбин в семь раз (с.178);

- проведены широкие разработки конструкционных материалов с использованием нанопорошков, в состав которых вводятся углеродные наночастицы - астралены, фуллерены, нанотрубки и нановолокна; введение наночастиц в количестве от 0,1 до 10% обеспечивает повышение прочностных, эксплуатационных и специальных свойств материалов; в качестве исходных материалов для модифицирования наночастицами использованы полимерные, алюминиевые, титановые, интерметаллидные и керамические материалы (с.189);

- проводятся теоретические и экспериментальные исследования наноструктур строительных конструкционных материалов в области взаимодействия отдельных атомов и молекул с цилиндрическими поверхностями нанотрубок; введение многослойных фуллероидных частиц - астраленов в цементные композиции вызывает увеличение прочности цементного камня и его влагостойкость, что обусловлено усилением адгезии на гетерофазных границах "полимерцементный камень-наполнитель" (с.190);

- проводятся разработка и освоение эффективных технологий сварки конструкционных материалов с наноструктурой, полученной методами интенсивной пластической деформации, для производства промышленных партий равнопрочных соединений, сохраняющих наноструктурное состояние и соответствующие механические свойства материалов (с.291).