Нанотехнологии

Введение

Нанотехнология - технология с атомарной точностью - обладает революционным потенциалом для решения важнейших научно-технических задач.

Нанотехнологии обычно делят на три направления:

• изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;
• создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу;
• непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно;

Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология [1] окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.

Наноинженерия - научно-практическая деятельность по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур. Наноинженерия поверхностей относится к наиболее востребованной в машиностроении нанотехнологии, являясь доступным и прогрессивным методом получения перспективных наноматериалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Основные положения  наноинженерии поверхностей

Чаще всего наноинжене́рия (англ. nanoengineering) представляется как научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий. В настоящее время термин «наноинженерия» широко применяется в научной и популярной литературе [1] в связи со значительной общностью и специфичностью рассматривающихся в нем различных направлений практической деятельности человека. Наноинженерия поверхностей – это конструирование, изготовление нанообъектов только на рабочей поверхности любого изделия, т.е. формирование на поверхности так называемых полифункциональных наноструктурированных покрытий, позволяющих принципиально улучшать эксплуатационные свойства, надежность и безопасность всего изделия.

Наноинженерия поверхностей объективно является наиболее востребованной в современном машиностроении нанотехнологией, представляя по своей сути наиболее доступный, достаточно простой, универсальный метод получения перспективных наноматериалов. На практике различают следующие типы наноматериалов:

- нанопористые структуры;

- наночастицы;

- нанотрубки и нановолокна;

- нанодисперсии (коллоиды);

- наноструктурированные поверхности и пленки;

- нанокристаллы и нанокластеры.

Основные методы получения наноматериалов представлены на следующем рисунке.

Рис.1.1 - Основные методы получения наноматериалов

Актуальность разработки и широкого внедрения этих технологий связана с тем, что в деталях, узлах и изделиях машиностроения, особенно судового машиностроения, подвергаются старению, например, изнашиваются в основном их поверхности на глубину не более чем на 1-2 мм. Следовательно, заданными свойствами, например, высокой износостойкостью ко всем видам изнашивания должны обладать в первую очередь рабочие поверхности, ограниченной толщины [2]. Вся остальная конструкция должна соответствовать требованиям прочности и усталостной долговечности.

Классификация наноориентированных технологий обработки поверхностей и формирования на них вторичных структур показана ниже на рисунке.

Рис 1.2 - Классификационная схема наноориентированных технологий обработки поверхности

Таким образом, под наноинженерией поверхностей, как правило, понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными или оптимальными прочностными, антикоррозионными и другими эксплуатационными свойствами.

2 Методы наноинженерии поверхностей изделий машиностроения

Важнейшим для инженерии поверхностей, несомненно, являются технологии получения функциональных наноматериалов, как правило, это порошковые материалы.

Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологий, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, узлов и деталей, а также композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий [3].

Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (т.н. PVD и CVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы, как правило, минимальное. Анализ литературных источников, показывает, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.

Наиболее распространенные методы наноинженерии поверхностей представлены ниже.

Рис. 2.1 - Типичная схема установки для нанесения покрытия PVD-методом: 1- материал для покрытия; 2- система перевода материала в паровую фазу; 3- поток испарившегося вещества; 4- подложка; 5- формирующееся покрытие; 6- система транспортировки материала покрытия в паровой фазе к подложке; 7- система фокусировки (и/или сканирования) потока вещества, осаждающегося на подложку; 8- система закрепления подложки и ее контролируемого перемещения; 9- система регулирования температуры нагрева подложки; 10- система управления и контроля технологическими параметрами (температура подложки, скорость перевода материала в паровую фазу, давление в камере, скорость осаждения покрытия, толщина покрытия и др.); 11- вакуумная камера; 12- система создания и поддержания высокого вакуума (система вакуумных задвижек, форвакуумных и высоковакуумных насосов, азотная ловушка и др.); 13- шлюзовая камера и система подачи и смены подложек; 14- смотровые контрольные окна; 15- система охлаждения.

Рис. 2.2 - Варианты метода термического испарения а) испаритель из металлического листа с защитным покрытием; б) металлический испаритель в виде лодочки; в) керамический тигель с внешним нагревательным элементом; г) испарение лазерным или электронным лучом.

Рис. 2.3 - Основные принципиальные схемы катодного распыления: а) двухэлектродный метод, б) четырехэлектродный метод, 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- мишень (распыляемый материал), 6-основной катод, 7- тепловой катод, 8- стабилизирующий электрод, 9- анод.

Рис. 2.4 - Схема магнетронного распыления: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 5- распыляемый материал, 6- катод, 7- анод кольцевой или рамочной формы, 8- магнит, 9- силовые линии магнитного поля.

Рис. 2.5 - Схема ионно-лучевого распыления: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки, 3- подложка, 4- концентрированный поток ионов, 5- распыляемый материал, 6- держатель мишени, 7- ионно-лучевой источник, 8- магнитная система концентрации плазмы тлеющего разряда, 9- устройство фокусировки ионного луча, 10- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 11- поток частиц осаждающегося на подложку материала.

Рис. 2.6 - Схема метода ионного плакирования: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки - катод, 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- испаряемый материал, 6- испаритель - анод, 7- лазер и устройства фокусировки и управления лазерным лучом, 8- лазерное излучение, 9- прозрачное для лазерного излучения окно.

 

Рис. 2.7 Схема метода ионной имплантации: 1- источники ионов, 2- поток ионов, 3- систему анализа и сепарации ионов, 4- система фокусировки, 5- ускоритель ионов, 6- система стабилизации и сканирования ионного луча, 7- ионный луч, 8- вакуумная камера, 9- модифицируемый материал, 10- держатель модифицируемого материала (образцов).

Кроме отмеченных выше в машиностроении могут найти применение метод ионно-лучевое перемешивания, а также группа так называемых лазерных методов.

Наноструктурное состояние при практической реализации отмеченных методов достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности [5]. Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения. При этом легирование может преследовать две основные цели:

- создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимся от основного металла;

- облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.

3 Перспективы  применения нанопорошков для  получения поверхностей изделий  машиностроения с особыми свойствами

В настоящее время специалисты в качестве перспективных технологий использования нанопорошков, например, отмечают следующие:

- Технологии нанесения износо-коррозионностойких покрытий методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления;

- Технологии микроплазменного напыления;

- Получение наноструктурированных покрытий с высокой твердостью методом электроискровой обработки в водных растворах и использованием наноразмерных порошковых материалов;

- Технологии вакуумного осаждения наноразмерных порошковых материалов и т.д.

Основой наноинженерии поверхностей служат нанопорошки или нанокластеры [6]. Наиболее распространенные методы получения нанопорошков представлены на следующем рисунке.

Рис 3.1 – Методы получения нанопорошков

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.

Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно. Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья, и только в последнее время производство нанопорошков в этих странах приобретает массовый коммерческий характер.

В настоящее время более половины производителей нанопорошков приходится на США. При этом американские производители вырабатывают не менее двух третей всего объема мирового производства нанопорошков. Совместно Европейский Союз и Азия производят большую часть остального объема.

Среди нанопорошков из оксидов металлов наиболее распространены диоксид кремния, диоксид титана и оксид алюминия [7]. На них, как отмечалось выше, приходится более 80% всего производства порошков из оксидов металлов.

Кроме указанных выше в мире производятся нанопорошки из оксидов железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния.

Особое место в наноиндустрии занимает производство порошков из чистых металлов. Промышленное применение многих из них в настоящее время существенно расширяется. Применение нанопорошков из чистых металлов пока ограничивается тем, что затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты и заданной размерностью значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков: порошки железа, алюминия, меди, никеля и титана.

Нанопорошки из драгоценных металлов производятся в мире в ограниченных объемах. Среди них можно отметить:

1. Металлическое серебро  — Ag.

2. Металлическое золото  — Au.

3. Металлическая платина  — PtОтдельное место в производстве  нанопорошков отведено кремнию Si.

Наиболее распространенными нанопорошками из сложных оксидов являются:

1. Сурьмяно-оловянный оксид— Sb2O3/SnO2.

2. Индие-оловянный оксид—In2O3/SnO2.

3. Нитрид кремния— Si3N4.

4. Титанат бария— BaTi03.

5. Вольфрамово-кобальтовый  карбид — WC/Co.

6. Наноалмазы — C.