Нанотехнологии в машиностроении

А. А. РАУБА

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Конспект лекций

 

Учебное пособие для магистрантов направления

151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение

машиностроительных производств»

О мск 2015
Министерство транспорта российской федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

__________________________________

 

 

а. А. Рауба

 

 

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

 

Конспект лекций

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного для магистрантов направления 151900

«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

 

                                                                                          

 

Омск 2015

 

УДК 620.22: 656(075.8)

 

 

Нанотехнологии в машиностроении: конспект лекций. Учебное пособие      по дисциплине «Нанотехнологии в машиностроении»/ А. А. Рауба. Омский   гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2015. 61 с.

 

 

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки магистров направления 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин специальности и является обязательной для изучения.

В учебно-методическом пособии кратко изложены понятия о наноматериалах и нанотехнологиях, современное состояние и перспективы развития. Дан обзор основ классификации наноматериалов и типов их структур, а также особенности свойств и основные направления использования наноматериалов в машиностроении.

Предназначено для магистрантов  первого года обучения по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», профиль «Технология машиностроения»..

 

 

Библиогр.: 4 назв. Табл. 23. Рис.1. Приложений 1

 

Рецензенты: доктор техн. наук;

                   канд. техн. наук.

 

 

ÓОмский гос. университет                                                                               путей сообщения, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………………………………..4

Лекция 1. Общее представление о нанотехнологиях. Нанотехнология как область науки и техники. Прикладной аспект нанотехнологий и области их применения в машиностроении........................................................................................5

Лекция 2. Методы и способы нанотехнологий в машиностроении......................10

Лекция 3. Создание объемных наноматериалов, нанесение нанопокрытий и системы для измерений с наноточностью....................................................................21

Лекция 4. Наночастицы, наноматериалы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна и пр. Наноматериалы для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий....................................................................................................................31

Лекция 5. Свойства наноматериалов – физико-механические, тепловые, электрические, магнитные и пр.......................................................................................37

Лекция 6. Упрочнение нанотехнологиями материалов – твердых сплавов; нержавеющих, конструкционных и инструментальных сталей и др......................44

Лекция 7. Технологические особенности и оборудование для реализации процессов осаждения нанопокрытий машиностроительного назначения. Вакуумно-дуговой синтез, магнетронное распыление и др....................................................48

Лекция 8. Наносистемная техника созданная на основе наноматериалов и нанотехнологий. Перспективы развития нанотехнологий в машиностроении...........56

Заключение...............................................................................................................60

Библиографический список....................................................................................60

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Нанотехнологии в машиностроении» непосредственно связана с конструкторско-технологической производственной практикой магистрантов и научно-исследовательской работой в семестре и относится к базовой части профессионального цикла. Преподавание дисциплины «Нанотехнологии в машиностроении» направлена на подготовку студентов к деятельности, требующей углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки, в том числе к научно-исследовательской работе в инновационных областях науки.

С этой целью в магистерскую программу обучения по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», профиль «Технология машиностроения», включен ряд дисциплин научной направленности, базовой из которых является «Нанотехнологии в машиностроении». Цель изучения данной дисциплины – подготовка студентов к усвоению нанотехнологий в машиностроении, обеспечивающих возможность получения качественно новых структурированных материалов с достижением высокой эффективности их использования.

По завершении освоения программы учебной дисциплины студент должен:

– знать новые наноматериалы, используемые в машиностроении, их физическую сущность; сущность нанотехнологических процессов производства изделий, область их применения;

– уметь выбирать для конкретных условий рациональные наноматериалы;

– использовать нанотехнологии для изготовления определенных машиностроительных изделий с заданными свойствами;

– владеть способностью самостоятельно принимать решения по выбору наноматериалов и нанотехнологий для конкретных изделий с учетом условий их использования.

Конспект лекций содержит основные сведения о наноматериалах и нанотехнологиях в краткой, но систематизированной форме. В конце каждой темы приведены вопросы для самопроверки, позволяющие проверить усвоение материала.

Необходимо обратить особое внимание на то, что изучение этого краткого конспекта не может заменить действительную исследовательскую работу, поэтому использование его будет наиболее эффективным, если этот материал будет дополнять и сопровождать самостоятельную работу магистранта в соответствии с индивидуальным планом работы над магистерской диссертацией, а также участие магистранта в научно-исследовательской работе кафедр, научных лабораторий вузов, НИИ и машиностроительных предприятий, в научных объединениях студентов.

Пособие написано на основе использования литературных источников        [1 – 16], в которых рассматриваемые вопросы изложены более полно и подробно.

 

 

ЛЕКЦИЯ 1

Введение. Общее представление о нанотехнологиях. Нанотехнология как область науки и техники. Прикладной аспект нанотехнологий и области их применения в машиностроении.

Нанотехнология – это по сути междисциплинарная область науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств с базовыми структурными элементами размерами в несколько десятков нанометров (1 нм = 10^{-9 м). Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора формально определены от единиц до 100 нм. Однако система получает приставку «нано» не потому, что ее размер становится меньше 100 нм, а вследствие того, что ее свойства начинают зависеть от размера. В макроскопическом представлении физические и физико-химические свойства вещества инвариантны относительно его количества или размера. Однако это утверждение справедливо до определенных пределов, а именно, когда хотя бы в одном измерении протяженность изучаемого объекта становится менее 100 нм. При этом образующие систему наночастицы по своим свойствам отличаются как от объемной фазы вещества, так и от молекул или атомов, их составляющих. В основе качественно новых достижений в научно-технических разработках на наноуровне лежит использование новых, ранее неизвестных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам.}

Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологией, сделал в 1959 г. американский физик Ричард Фейнман в своей знаменитой лекции «Там, внизу, много места» («There’s Plenty of Room at the Bottom») [12]. Р. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать материальные объекты прямо из атомов. Он предположил, что возможно перемещать атомы отдельно, механически, при помощи манипулятора соответствующих размеров.

Как уже отмечалось, нанотехнология является междисциплинарной наукой и практически проникла во все области науки и техники: физику, химию, материаловедение, биологию, медицину, экологию, сельское хозяйство и др. Прогнозируется, что наука о нанотехнологиях, нановеществах способна перестроить все отрасли промышленного производства, привести к новой научно-технической  революции и повлиять на развитие социальной структуры общества.

Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10^–9м = 10^–6 мм = 10^–3 мкм). Сама десятичная приставка «нано-» происходит от греческого слова νανοσ – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта.

Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Данная технология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией. Наноструктуры, построенные «из первых принципов», с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженериии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1 Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии

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;

Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая, очевидно, в обозримом будущем внесет революционные изменения в технологии XXI века. Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, статистические временные вариации свойств и их масштабирование в зависимости от размеров структур, преобладающее влияние поверхности, отсутствие дефектов в объеме монокристаллов, значительная энергонасыщенность, определяющая высокую активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т.п. Эти явления наделяют наноразмерные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно и используется в различных областях техники. Примерами наноразмерных структур могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов. Впечатляющие примеры связаны с биологией, где живая природа демонстрирует нам наноструктуры на уровне клеточного ядра. В этом смысле собственно нанотехнология, как научное направление, не является чем-то новым. Качественная характеристика нанотехнологии заключается в практическом использовании нового уровня знаний о физико-химических свойствах материи.

В этом одновременно и исключительность нанотехнологии – новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, а также изменений в экологической, социальной и военной сферах.

Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является также способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие изначально заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.

Использование перечисленных выше свойств в практических приложениях и составляет суть нанотехнологии. На ее основе уже реализованы образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно- и износостойких материалов и покрытий, катализаторов с высокоразвитой поверхностью, нанопористых мембран для систем тонкой очистки жидкостей, сверхскоростных приборов наноэлектроники.

Вывод: нанотехнологии - это принципиально новый, надотраслевой приоритет, он един для всех отраслей науки и промышленности. Фактически переход к нанотехнологиям знаменует переход цивилизации в ближайшие 10-20 лет к принципиально новому экономическому укладу.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

 изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

·разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

 непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Сегодня львиная доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов и загрязнение окружающей среды. Если же мы будем целенаправленно создавать необходимые нам материальные объекты, конструируя их из атомов и молекул, с помощью нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.

Таким образом, нанотехнологии - это, во-первых, технологии атомарного конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организации научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.