Нанотехнологии в машиностроении России

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 методамипоатомной 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.