Нанотехнологии в автомобилестроении

Содержание

 

Введение

1.  Основы классификации наноматериалов

2. Применение  нанотехнологий в железнодорожном  транспорте

2.1 Применение продуктов нанотехнологий при ремонте        железнодорожного подвижного состава

2.2 Использование наноматериалов в  железнодорожном транспорте

3. Нанокатализаторы в топливе для транспорта.

4. Нанотехнологии в автомобилестроении. 

4.1 Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности

Заключение

Список  использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. Разработки в этой области ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если 10 лет назад единицы людей представляли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами. С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

         Теоретик  Э. Дрекслер предложил слово  "нанотехнология" в 1980 году, описывая  им теоретический (в то время)  молекулярный производственный  процесс с использованием компонентов  и устройств размерами от 1 до 100 нм (этот диапазон получил название наномасштаб - nanoscale) Одна из причин трудного "характера" нанотехнологии заключается в том, что ее сфера - непостижимо малые по своим масштабам элементы. Нанометр - единица измерения, которая дала название нанотехнологии, - составляет одну миллиардную часть метра. Атом водорода, наименьший из существующих в природе, имеет диаметр около 1/10 нм; диаметр человеческого волоса - около 75 тыс. нм.

 

1.  Основы классификации наноматериалов

 

Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. Наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 1).

 

              

                             Рис. 1. Классификация наноматериалов.

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

        Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

        Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.

       В свою очередь  третью категорию наноматериалов  можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы, структура и (или) химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Они находятся в неравновесном состоянии. К таким материалам относятся, например, стекла.

Ко второму классу можно отнести  многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

         Четвертая категория включает композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов из первой категории и второй категории.

                2.Применение нанотехнологий в

                                        железнодорожном транспорте

      2.1Применение продуктов нанотехнологий при

                              ремонте        железнодорожного подвижного состава

 

В  соответствии с  программой корпорации "РОСНАНО" уже  в  ближайшие годы  должны быть  кардинально увеличены объемы производства выпускаемой и востребованной продукции нанотехнологий и достигнуто насыщение соответствующих рынков. Одним из направлений стратегии развития железнодорожного транспорта в  до  2030 г.  как  раз  и  является  использование  конструкций  из  композитных  материалов  и  конечных продуктов нанотехнологий. Рассмотрим возможные пути внедрения тех немногих инновационных продуктов в отрасль железнодорожного транспорта на примере вагоноремонтного предприятия. Вагоноремонтные предприятия, как правило, специализируются на проведении плановых видов ремонта подвижного состава (деповской, капитальный и капитальный с продлением срока полезного использования), а также изготовлении узлов, деталей и механизмов к грузовым и пассажирским вагонам.

1) Наноконтакт (NC) – новейший нанотехнологичный препарат для обработки двигателей, КПП, редукторов. Увеличивает ресурс деталей в 2–3 раза. Результаты, получаемые при использовании препарата NC:

до 60\% возрастают антифрикционные, противоизносные  свойства масла в режиме граничного трения; в паре трения кольцо – цилиндр  происходит снижение износа поршневого кольца в 1,3–1,5 раза; цилиндра – в 4–6 раз;

мощность механических потерь двигателя  уменьшается более чем на 20\%; происходит снижение удельного эффективного расхода топлива: от 5 и до 15\%; в среднем на 5 … 10\% повышается компрессия; снижается уровень шума двигателя, КПП и редуктора-моста; заметно снижается выброс токсичных веществ при работе обработанного двигателя. NC можно отнести к классу так называемых программируемых модификаторов-кондиционеров металла (препарат комплексного действия), т.е. препаратов, добавляемых в незначительных количествах в смазочный материал для придания запрограммированных свойств поверхностям трения металлических смазываемых деталей машин. При такой обработке происходит оптимизация шероховатости контактирующих поверхностей (без изменения макроразмеров деталей) за счет формирования на железосодержащих поверхностях (сталь, чугун) тончайшего защитного слоя, обладающего сверхнизким сопротивлением сдвигу (за счет наличия молекулярных "шариковых подшипников") и сверхвысокой прочности этого слоя. Поэтому NC способствует подавлению износа, задира и коррозии.

2) Противоизносный наномодификатор "Стрибойл".

В условиях разразившегося кризиса  проблема восстановления и продления  срока надежной работы оборудования и техники, в том числе и  изношенного, приобретает особое значение. Эффективное решение этой проблемы предлагают нанотехнологии. Наномодификатор "Стрибойл" представляет собой многокомпонентный нанодисперсный состав, совместимый со всеми, в том числе импортными, типами технических масел и консистентных смазок. Наномодификатор предназначен для восстановления и защиты от износа не имеющих механических повреждений металлических железосодержащих деталей узлов трения любых механизмов.

Примеры  эффектов,  получаемых  при  обработке  узлов  трения  двигателей  локомотивов  наномодификатором "Стрибойл":   увеличение степени сжатия на 15 … 25\%; снижение расхода топлива до 10\%; увеличение мощности на 2 … 3\%; уменьшение содержания сажи в выхлопе до 50\%; уменьшение вибрации и шума до 20\%.

3)Сверхвысокопрочные пружины с использованием технологий контролируемого формирования однородных наноразмерных субструктур. Основными точками применения продукции проекта станут железнодорожный транспорт (вагонные и локомотивные тележки), энергетика, подвески автомобилей и сельскохозяйственной техники, лифтовые системы. В основе новой технологии лежит операция горячей навивки пружины при оптимальном сочетании температуры нагрева, степени деформации при навивке, схемы и режима охлаждения – закалки последовательно каждого витка навиваемой пружины. В результате этих операций формируются наноразмерные субструктуры, обеспечивающие высокие прочностные характеристики изделий.

 

Применение данной технологии открывает  возможность производства пружин с  увеличенным в несколько раз  сроком службы, повышенным уровнем  допустимых напряжений не менее чем  в 2 раза, исключением их осадки и соударения витков, а также повышенной работоспособностью в условиях низких температур. На железнодорожном транспорте  применение  новых  пружин  позволит  значительно  сократить  затраты  на  ремонт  и  эксплуатацию подвижного состава и повысить объемы грузоперевозок за счет увеличения нагрузки на вагонную ось.

4)Уменьшение износа подшипников, устанавливаемых в узлах различных машин и механизмов, в том числе и на подвижном составе железнодорожного транспорта. Проведенные в Объединенном институте машиностроения исследования показали, что если в используемый в подшипниках скольжения баббит, содержащий олово, сурьму и медь, добавить мельчайшие ультрадисперсные алмазы, то трение в контактирующих поверхностях значительно снизится. Частицы добавляемого в сплав наноматериала имеют округлую форму без кристаллической огранки. Их размер равен всего 4…6 нм, но при этом они обладают высокой поверхностной активностью. В результате на сфере идеально круглых подшипников дополнительно образуется оптимальное покрытие с мелкой зернистой структурой. В процессе изнашивания баббита формируются мельчайшие осколки кристаллов меди, олова и сурьмы, которые оказывают полирующее действие на контактирующие поверхности, не вызывая их интенсивного абразивного изнашивания, т.е. углеродный наноматериал меняет структуру сплава подшипников, повышает их технические характеристики, что положительно сказывается на работе узлов трения различных машин и механизмов. Например, установка усовершенствованных подшипников на железнодорожный подвижной состав снизит износ осей колесных пар. Благодаря этому можно будет увеличить межремонтный пробег вагонов и локомотивов.

          2.2 Использование наноматериалов 

                                       в железнодорожном транспорте

Итак, встречайте нанотехнологии для железной дороги!

Керамический наноцемент, или фосфатная керамика одна из самых интересных разработок Нижегородского регионального центра наноиндустрии. Керамический наноцемент - это смесь оксида металла и фосфата, которая при контакте с водой превращается в гелеобразный цементный раствор. Этот материал обладает огнестойкостью и высокой прочностью, повышенным сопротивлением химическому воздействию и замерзанию. Наноцемент отвердевает даже под водой, в отличие от обычного бетона. По всем возможным параметрам фосфатная керамика в разы превосходит традиционный цемент. Область применения наноцемента чрезвычайно широка, в частности на железной дороге он будет применяться для производства шпал с повышенной прочностью, железобетонных конструкций мостов и тоннелей, линий электропередач и подпорных стенок. Также, НРЦН анонсировало новый наноматериал для повышения прочности уже существующих железобетонных конструкций. Этот материал представляет из себя водный раствор флюатов, молекулы которых, проникая в цементное основание конструкции, превращаются в наночастицы новых веществ и плотно закупоривают поры бетона.

Еще одна разработка российских ученых - вещество, предназначенное для  ликвидации карстовых пустот под  полотном железной дороги. Полимерный нанопорошок, введенный в карстовую полость, набухает под воздействием воды и превращается в гель, который плотно прилегает к стенкам полости, тем самым, прекращая её развитие. Заполнение карстовых пустот таким гелем, по мнению специалистов, проще, эффективнее и дешевле применяемых сегодня технологий

Разработали технологию, позволяющую укладывать "тихий" путь, максимально защищенный от колебаний температуры окружающей среды и технических вибраций. Новый, так называемый "силиконовый" путь, отличается экономным расходом металла, который идет на изготовление рельс, так как рельсы укладываются прерывной полосой – через каждые 1,5 метра разъем составляет 58 мм. Зазоры между секциями заполняются особым силиконом, созданным с использованием нанотехнологий, состав которого был создан во ВНИИЖТе и испытан в начале 2008 года. Новая технология позволяет уменьшить шумность железнодорожного полотна становится более бесшумным и снижает затраты на прокладку новых путей на 36,8% по сравнении с существующими аналогами.

 

2.3 Нанотехнологии на рельсах

 

В России есть разработки, использование  которых уже сейчас может дать отрасли довольно ощутимый технико-экономический  и социальный эффект, повысить уровень работы практически на всех стадиях перевозочного процесса. Например, применение в транспортном строительстве бетонов, модифицированных углеродными нанотрубками, позволит улучшить прочностные и теплоизоляционные характеристики зданий и сооружений на 15 – 30%.Изготовление качественно новых рельсов и колесных пар на основе нанодисперсного перлита с повышенной прочностью с одновременным сохранением требуемой вязкости продлит срок службы верхнего строения пути.

 

Использование в депо ремонтно-восстановительных порошков и составов позволяет улучшить характеристики узлов трения локомотивов и вагонов, в два и более раз увеличить их межремонтный ресурс, а в ряде случаев – заменить капитальный ремонт планово-предупредительной обработкой нанопорошками.

Специальные технологии повышают износостойкость металлорежущего инструмента в 5 – 7 раз.

 

Наконец, вопросы обеспечения биологической  безопасности, особенно актуальные для  мест массовой концентрации людей (пассажирские вагоны, вокзалы), можно успешно решить, обработав эти места наночастицами серебра, обладающими высокими бактерицидными свойствами.

Вот уже несколько лет занимаются проблемой нанопокрытий. Их высокая твердость и износостойкость открывают широкие возможности для применения на транспорте. При нанесении нанопокрытий значительно улучшаются термодинамические характеристики двигателя. У бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания происходят увеличение и выравнивание компрессии во всех цилиндрах, значительно снижается токсичность выхлопных газов, а также шум от работы двигателя.