Нанотехнологии - Наука будущего, Нанотехнология, наука о нанотехнологиях, сайт посвещен нанотехнологиям, последние новости нано новинок.

Терминология “Г”

admin — Tue, 14 Apr 2009 08:27:46 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Геомодификатор (греч. геос— земля) — специальная микро- или нанодобавка в топливно-смазочные материалы и технологические среды на базе минералов геологического (реже — искусственного) происхождения, которые могут вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения.

Гетероструктура (греч. гетеро — союз, товарищество) — комбинация нескольких гетеропереходов (контакт двух разных полупроводников) , используемая для создания потенциальных ям для электронов и дырок в слоистых полупроводниковых структурах и применяемая в полупроводниковых лазерах и светоизлучающих диодах.

Графен — углеродный наномонослой, в котором связи С~С образуют правильные графитовые шестиугольники («пчелиные соты»).

Терминология “В”

admin — Tue, 14 Apr 2009 08:27:02 +0000

Вирус (лат. virus - яд) — частица микро- или наноразмеров, способная инфицировать клетки живых организмов. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Вирусы являются потенциальными объектами для использования в бионанотехнологиях.

Терминология “Б”

admin — Tue, 14 Apr 2009 08:26:37 +0000

Балк-технология (англ. bulk- technology) — технология, основанная на манипуляции совокупностями атомов и молекул (массовая технология или материал), а не индивидуальными атомами.

Терминология “А”

admin — Tue, 14 Apr 2009 08:26:01 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Абляция (лат. ablat — отнятие) — многозначный физический термин, обозначающий процесс увлечения вещества с поверхности твердого тела обтекающим потоком. В физике твердого тела — удаление (испарение) вещества с поверхности под воздействием лазерного излучения.

Аллотропия (греч. allos - иной, tropos — поворот, свойство) — существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

Алмазоид - алмазоподобная структура, построенная из атомов углерода методами механосинтеза, имеющая прочность и химическую инертность алмаза. Алмазоид будет использоваться в качестве основного материала при построении нанороботов. Это гидрокарбонат, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную сетку, точно такую же, как в алмазе. В природе алмазоид встречается в сырой нефти в виде молекул низших гидрокарбонатов: адамантана, диамантана и триамантана.

Ассемблер (наноассемблер, конструктор) (англ. assemble — собирать) — кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное из набора атомов производить (собирать) молекулы путем механохимии по заданной программе. Возможно его самокопирование. Ассемблер включает в себя мощный нанокомпьютер, комплекс наноманипуляторов и наносенсоров, то есть это молекулярная машина, которая может быть запрограммирована на построение практически любой молекулярной структуры или устройства из более простых химических строительных блоков, подобие управляемого компьютером механического цеха.

Атом (древнегреч. атомос— неделимый) — частица химического элемента, сложное делимое тело. Атом состоит из облака электронов, окружающих плотное ядро, которое в тысячи раз меньше, чем сам атом. Наномашины будут работать не с ядрами, а с атомами.

Ammo… (лат. а ttеп — восемнадцать) — приставка к наименованию единицы физической величины, служащая для образования ольной единицы, равной 10~¹⁸ от исходной. Сокращенное обозначение: русское -г- а, международное — а. Например, 1 ас (аттосе-кунда) = 10″¹⁸ с.

Как можно вычислить прочность углеродной нанотрубки

admin — Sun, 22 Mar 2009 19:19:51 +0000

Возьмём одностенную нанотрубку типа «зиг-заг» (см. рис. 1). Закрепим невидимый конец трубки, а к другому её концу приложим растягивающую силу F.
Пусть в нанотрубке атомы углерода образуют между собой одинаковые связи (С-С, сигма-связи), а углы между ними равны 120о. Тогда при растяжении нанотрубки эти связи будут растягиваться одинаково. Однако разорваться нанотрубка может самым причудливым образом, зависящим, например, от того, какая С-С связь разорвётся первой.
Чтобы упростить расчёты, предположим, что растяжение разрывает только С-С связи, ориентированные вдоль оси трубки и расположенные в одной плоскости её поперечного сечения (линии разрыва обозначены синим на рис. 1).
Известно, что расстояние d между ближайшими атомами углерода в нанотрубке приблизительно равно d=0,15 нм. Легко показать, что если диаметр трубки равен D, то количество N связей, ориентированных вдоль оси трубки равно:

N = pi*D/(d*1,73) (1)

При этом к каждой С-С связи приложена сила, равная F/N.

Чему равна прочность одной С-С связи?

Найти прочность С-С связи можно из графика зависимости потенциальной энергии U этой связи от расстояния между атомами (рис. 2).

Из графика на рис.2 следует, что потенциальная энергия связи достигает минимума, когда расстояние между ядрами атомов составляет 154 пм. Это и определяет расстояние, на котором находятся атомы углерода в нерастянутой нанотрубке.

Тангенс наклона касательной правой ветви кривой на рис.2 пропорционален силе F1, необходимой для того, чтобы растянуть и удерживать атомы на данном расстоянии r :

F1 = (dU/dr)/NA ,

где NA – число Авогадро, 6.1023 моль-1.

Чтобы увеличить расстояние между атомами углерода, надо приложить силу F1, и если эта сила будет больше максимального тангенса угла наклона (см. синий пунктир на рис. 2), то С-С связь порвётся. Простые расчёты (вычисление см. ЗДЕСЬ) показывают, что эта связь порвётся при

F1 > 3,8 нН.

Чему равна прочность одностенной нанотрубки?

Нанотрубка разорвётся, когда сила F, растягивающая трубку, станет больше 3,8.N нН, где N - число параллельных оси C-C связей в одном поперечном сечении трубки. Пусть диаметр нанотрубки D = 1,5 нм. Тогда из формулы (1) следует, что N = 18. Поэтому нанотрубка разорвётся при Fmax = 69 нН.

Чтобы вычислить прочность Пmax нанотрубки, разделим Fmax на площадь поперечного сечения S = pi*D2/4 и получим:

Пmax = 39 ГПа.

Значение прочности нанотрубки, полученное нами теоретически, довольно близко к максимальным экспериментально полученным величинам (63 ГПа) и, как и следовало ожидать, гораздо больше прочности самых прочных сортов стали (0,8 ГПа).

Как посоветовал Чеширский В.В. (см. ниже в комментариях), чтобы окончательно свести теоретические “концы” с экспериментальными, достаточно для межатомной связи использовать параметры ароматической (упрощенно полуторной) связи с энергией 509 кДж/моль. Далее, возможно несколько упрощенно, предполагая пропорциональное увеличение наклона касательной на графике потенциальной энергии, получим, что прочность такой “реальной” нанотрубки станет равной 57 ГПа. Так теория становится ближе к практике!

Отметим, что у многостенных нанотрубок прочность будет в несколько раз выше!

nanometer.ru

Обнаружение крошечный изгиб с nanomachine

admin — Thu, 12 Mar 2009 22:26:09 +0000

Исследователи Бостонского университета, работающих с партнерами в Германии, Франции и Кореи разработали нано кручением резонатор, что меры miniscule объемы скручивания или крутящего момента в металлических nanowire. This device, the size of a speck of dust, might enable measurements of the untwisting of DNA and have applications in spintronics, fundamental physics, chemistry and biology. Это устройство, размером пятнышко пыли, могут позволить измерений untwisting ДНК и приложений в spintronics, фундаментальной физики, химии и биологии.
Спин-индуцированный момент имеет центральное значение для понимания эксперименты с измерением углового момента фотонов для измерения коэффициента гиромагнитное металлов и очень миниатюрных - около 6 микрон - версия гироскопа, что меры моментов электроны получают путем изменения их спиновых состояний. Он может быть использован для выявления новых спин-зависимых основных сил в физике частиц, в соответствии с Раджем Моханти, Бостонского университета профессор физики.
“Это, пожалуй, наиболее чувствительных измерения крутящего момента каждый сообщалось,” сказал Моханти. “Величина крутящего измеряется этот эксперимент, меньше, чем типичный момент производства по untwisting от вдвойне ДНК”.
В только что выпустила документ, в природе Нанотехнология, озаглавленный “Nanomechanical обнаружения вразнос спин электрона флип”, Моханти и его исследовательская группа разработала весьма деликатным способом прямого измерения крутящего использованием микроэлектронных механических систем со спином электроники. Их подход заключается в том, чтобы выявлять и контролировать спин-флип крутящий момент - явление, которое происходит в металлических nanowire, что составляет половину ферромагнитных и немагнитных другой. Спинов электронов вразнос являются “отражено” на стыке двух регионов для получения крутящего момента.
Группа разработала микроскопический спин-торсионное устройство сфабрикованы электронно-лучевой литографии и nanomachining что механически меры изменений в спиновых состояний в магнитном поле. Это устройство эксплуатировался на одной десятой степени близки к абсолютному нулю.

Группа работает на демонстрацию противоположный эффект. В соответствии с внешней момент спином вверх и вниз спина электрона могут быть разделены на два физически различных местах, создавая спина аккумулятора. Это похоже на обычные заряда аккумулятора с положительной и отрицательной полярности. При подключении с электрическими пути, электро-потоков, с одной стороны к другой. Но вместо того, электрический ток, поток в спину батарея включает спином - который может быть использован для хранения и управления информацией, в основе новейших технологий призвал spintronics.
“Измерения с нано кручением резонатора будут полезны в выявлении новых фундаментальных сил и, теоретически, для характеристики крутящего момента производства и молекул ДНК.” said Mohanty. сказал Моханти.

Источник: Бостонский университет

Некоторые свойства наноструктур

admin — Thu, 12 Mar 2009 22:12:22 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Атом неисчерпаем!
Владимир Ильич ЛЕНИН на полях книги «Мелкие философские работы» Иосифа Дицгена

Первым и самым главным признаком наночастиц, несомненно, является их геометрический размер — протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении. Именно с таких размеров может наблюдаться качественное изменение свойств частиц по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Например, нанонить паутины способна надежно удерживать огромных по сравнению с ее толщиной насекомых.

Именно размерными эффектами определяются многие уникальные свойства наночастиц и наноматериалов. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических, квантовых и др.) критический размер может быть различным, как и характер изменений (равномерный или неравномерный). Например, электропроводность, область прозрачности, магнетизм и некоторые другие свойства начинают зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10—20 нм и менее (рис.32).

Доля атомов, находящихся в поверхностном слое (толщиной около 1 нм), естественно, растет с уменьшением размера частиц вещества. Поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от «внутренних» атомов, поскольку они связаны с соседями иначе, чем внутри вещества.

Рис. 32. Изменение физико-химических характеристик материала (ФХХМ) в зависимости от размера структуры:
1 — с максимумом; 2-е насыщением; 3 — с осциллирующим изменением свойств

В результате на поверхности велика вероятность протекания процессов атомной реконструкции, изменения структурного расположения атомов и их свойств.

Атомы, расположенные по краям моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, находятся в совершенно особых условиях. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния, именуемые уровнями Тамма (работы русского физика, удостоенного с коллегами в 1958 году Нобелевской премии по физике, Игоря Евгеньевича Тамма, были посвящены классической электродинамике, квантовой механике, теории твердого тела, физической оптике, ядерной физике, теории элементарных частиц, проблемам термоядерного синтеза; в 1930 году Тамм построил квантовую теорию рассеяния света в кристаллах, впервые произвел квантование акустических волн, введя понятие фононов — звуковых квантов). Все это заставляет рассматривать поверхность (или межфазную границу) как некое новое состояние вещества.

Учитывая абсолютные размеры наночастиц, с определенными допущениями можно считать, что наночастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе. Например, нанотрубки имеют аномально высокую удельную плотность поверхности, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое. Кроме того, расстояние (0,335 нм) между графитовыми слоями в многослойных системах оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде (например, молекулы водорода Н₂) могли заполнять их межстенное пространство. Данное пространство (в совокупности с внутренними каналами и даже внешней поверхностью) образует уникальную емкость для хранения газообразных, жидких и даже твердых веществ.

Новые электроды для ионно-литиевых аккумуляторов

admin — Thu, 12 Mar 2009 02:57:29 +0000

Новый наноматериал для электродов в виде гибридных (оксид металла – углеродные нанотрубки)

Как говорит Паликел Аджайан – проф. материаловедения Университета, полученная конструкция представляет собой образец современного конструирования на уровне нанометров. Группе удалось сопрячь несколько важных физических функции, необходимых для электродов – нанотрубки, являясь высокопроводящими элементами, к тому же способны абсорбировать литий, а оксид магния, имея низкую электропроводность, обладает высокой емкостью. Сочетание этих двух элементов дает системе интересные совокупные свойства, например, увеличение ресурса (который применительно к аккумуляторной батарее будет означать увеличение количества циклов зарядки/разрядки).

Нанотрубки могут быть организованы в пучки различной конфигурации. Будучи всего несколько микрометров в поперечнике, пучки, используемые в качестве электродов, дают оптимизм для уменьшения размеров батарей, которые впоследствии могут стать тонкими и гибкими. Вся идея легко масштабируема и поэтому технологична.

Европейский проект рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL

admin — Thu, 12 Mar 2009 02:53:10 +0000

Среди множества разработок лазеров на свободных электронах, с которыми ученые связывают возможность прогресса в ряде очень важных научных и практических областей, особое место занимает уникальный проект, который совместно реализуют несколько стран.

В Гамбурге в научном центре DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) началось строительство одного из самых мощных в мире рентгеновских лазеров на свободных электронах, который может и должен стать изумительным инструментом для нанотехнологий. В идее создания и разработке этого лазера немалая роль принадлежит российским ученым.

Наш сайт уже обращался к этой теме несколько месяцев назад в заметке «Российские ученые изобрели уникальный лазер, способный победить рак». Возвращаясь к теме, мы поставили две основных задачи: озвучить прогресс и показать читателю некоторые научные и технические детали одного из самых крупных научных проектов в Европе.

Когда проект XFEL, объединивший физиков многих стран, будет завершен, в Германии, между Гамбургом и Землей Шлезвиг-Гольштейн появится новый научный центр, откроющий совершенно новые возможности для экспериментаторов в различных областях науки. Ученые смогут заснять протекание химических реакций, точно определить атомную структуру молекул, «схватить» трехмерные детали нанокосмоса. Такой лазер позволит решать задачи, которые до сих пор были недоступны, например, исследовать структуру белков, что поможет открыть огромные возможности в медицине, генетике, биологии – в частности, подходы к новым технологиям создания новых лекарств, причины неизлечимых пока недугов. Лазер на свободных электронах на сегодня, возможно, идеальный инструмент для нанотехнологий. Он спосоден регистрировать процессы, которые происходят в наномире, на атомарном уровне. Это открывает огромные возможности для изучения химических и физических процессов в молекулах, а также при создании новых материалов и наноструктур

Аббревиатура XFEL обозначает рентгеновский лазер на свободных электронах (X-ray free-electron laser), то есть устройство, в котором свободные электроны разгоняются до высоких энергий и излучают мощные импульсы излучения в рентгеновском спектре длин волн.

Рентгеновский лазер на свободных электронах длиной 3,4 км, который по-видимому будет самым мощным в мире, создают в Гамбурге, в научном центре DESY и его окрестностях. Первые конструкционные работы начались недавно, летом 2008 года, а закончить проект собираются к 2012 – 2013 году.

Пару лет назад 13 стран (Франция, Дания, Германия, Греция, Италия, Польша, Испания, Швеция, Швейцария, Россия, Венгрия, Великобритания и Китай) подписали меморандум о намерениях участвовать в подготовительной фазе проекта. В качестве наблюдателей в проекте XFEL участвуют также Нидерланды и Европейское Сообщество. Стоимость создания уникального лазера составляет приблизительно один миллиард евро. Основное финансирование приняли на себя германские участники – порядка 50% Федеральное Министерство Образования и Науки, 10% – местные органы власти, а оставшиеся 40% ожидаются от иностранных партнеров. В большинстве своем все участники проекта выполнили свои материальные обязательства, что и позволило успешно начать и продвигать проект XFEL.

Временная шкала разработок источников рентгеновского излучения

Технические характеристики XFEL лазера:

Для создания лазера пучок электронов должен быть разогнан до субсветовых скоростей. Далее, этот пучок электронов пропускают по определенной искривленной траектории через осциллятор, который представляет собой набор магнитов с переменными полюсами, образующих поперечное магнитное поле на пути пучка внутри лазерного резонатора. Чаще всего, такой осциллятор называют ондулятором, где эти электроны излучают и часть своей энергии передают в энергию электромагнитного излучения. Поскольку пучок излученных фотонов и пучок высокоэнергетических электронов находятся в фазе, их поля когерентны. Соответственно, длина волны излучения может быть настроена путем изменения энергии электронного пучка или параметров магнитного поля в ондуляторе.

Электромагнитные поля разгоняют электроны в сверхпроводящих резонаторах

Новый рентгеновский лазер имеет уникальные характеристики, которые до сих пор не удавалось получить никому:

В пределе, спектральная яркость излучения пучка нового лазера в миллион раз а в среднем – в 10 тысяч раз выше, чем у большинства современных источников рентгеновского излучения.
Временное разрешение на несколько порядков выше, чем у известных на сегодня источников излучения: длительность импульса рентгеновского лазера имеет всего порядка 100 фемтосекунд. Это приблизительно то самое время, которое потребно химическим соединениям для формирования и группировки их молекул.
Длина волны рентгеновского лазера настолько коротка, что даже детали атомной структуры становятся различимыми. Она может варьироваться в диапазоне 0,085 – 6 нанометров, что соответствует энергии от 10 до 20 миллиардов электрогнвольт.
Пучок излучения рентгеновского излучения имеет все свойства лазерного пучка, то есть он – когерентен. Это означает возможность регистрации голографических изображений на атомарном уровне.

Новый гигантский лазер создается на базе ускорителя электронов, который разгонит их до скоростей, близких к световой. Поэтому общая длина сооружения, которое имеет несколько подземных этажей на глубине 6–38 м достигает почти 3,4 км, одна только длина «разгонного» туннеля и то уже составит 2,1 км.

Экспериментальная лаборатория (то самое место куда будут приходить пучки для измерений и экспериментов) площадью 4500 квадратных метров по плану будет включать в себя 10 измерительных стендов для пяти независимых лазерных пучков (см. схему ниже).

Все три площадки лазерного центра расположены в землях Гамбург и Шлезвиг-Гольштейн. Туннель линейного ускорителя начинается на территории центра DESY в самом Гамбурге. Экспериментальные работы будут проводиться на подземной площадке, расположенной в южной части г. Шенефельд (пригород Гамбурга).

Схема будущего лазера (не в масштабе, разумеется) при виде сверху и сбоку. Красные и желтые линии показывают пути распространения электронных и фотонных пучков (соответственно)

Пионерные технологии:

Планируемый лазер будет отличаться от аналогов во многом. Эти отличия – плод творчества физиков и лазерщиков нескольких стран – участников проекта. Уникальными элементами лазера будут, несомненно, и ускоритель электронов и ондулятор. Нельзя переоценить вклад российских физиков. В частности, для эффективной генерации когерентного излучения в XFEL реализованы идеи российских ученых из Новосибирского Института ядерной физики по подбору параметров магнитной системы ондулятора для существенного увеличения мощности излучения и рекуперации пучков электронов для снижения энергетических затрат.

Российские ученые, участвуя в проекте XFEL, получают первоклассную международную площадку для внедрения своих разработок, в частности новых источников синхротронного излучения, доступ к самым передовым технологиям других европейских стран и возможность создавать новые современные технологии, в том числе и нанотехнологии.

Научная конкуренция:

Стоит заметить, что в настоящее время происходит некоторое соревнование в области стрительства мощных рентгеновских лазеров на свободных электронах, в котором участвуют, помимо интернациональной команды в центре DESY, несколько сильных групп в Японии и США. Основные конкуренты, по всей видимости, проект японского научно-исследовательского института RIKEN и американский проект Linac Coherent Light Source , базирующийся на линейном ускорителе Стенфордского университета (Калифорния).

Скорее всего, конкуренты запустят свои установки быстрее, чем интернациональная команда в научном центре DESY. Японский проект поддержан мощью огромного научного кластера, который проводит исследования во многих областях науки, включая физику, химию, биологию, медицину, машиностроение и компьютерное дело. RIKEN практически полностью финансируется правительством Японии. Американский проект, который опережает конкурентов по срокам, предположительно и запустит первый сверхмощный рентгеновский лазер на свободных электронах, работающий в штатном режиме, что запланировано уже в этом году.

Применение фрикционного латунирования для коленчатых валов

admin — Mon, 02 Mar 2009 21:17:43 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Рассмотренное устройство имеет низкую производительность, наблюдается нарушение равномерности покрытия и, следовательно, ухудшение шероховатости поверхности.

Применение фрикционного латунирования для коленчатых валов сдерживалось из-за отсутствия надежных высокоэффективных приспособлений.

На рис. 47 представлена самая простейшая схема обработки наружной цилиндрической поверхности инструментом с резиновым покрытием. Инструмент 3 жестко закреплен на станке и приводится во вращение электродвигателем с гибким приводом. Смазочная среда в жидком или полужидком состоянии подается от насоса через сопло 1 в зону между прижимным роликом 2 и инструментом 3. Последний прижимается к поверхности вращающейся детали 4. В качестве смазочной жидкости используется смесь глицерина и олеата меди.

Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в три раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала — вкладыш» в период приработки.

При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент времени идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев.

Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в пять раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах.

После фрикционного нанесения противоизносных покрытий на конструкционную сталь 45 ГОСТ 1050-90 с начальной твердостью НВ 280 (Н^ = 2800 МПа) обработанные поверхности приобретают наклеп с повышением твердости до НВ 375 (Нц = 3750 МПа). При этом зона наклепа поверхностных слоев образцов с покрытием наблюдается на глубине h = 15—35 мкм, чем обеспечивается положительный градиент механических свойств основы. Предел выносливости латунированных стальных образцов (550 МПа) также выше, чем необработанных (520 МПа).

Согласно металлографическим и спектральным исследованиям, структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО имеет следующие основные характерные зоны: композиционное (медь, цинк, олово) антифрикционное покрытие; переходная диффузионная зона; деформированная (наклепанная) зона; основной конструкционный материал (рис. 48).

По результатам стендовых испытаний двигателей СМД-62 (мощностью 180 КВт) с гильзами цилиндров и шейками коленчатого вала, обработанными методом ФАБО в среде СФП-3:

эффективная мощность возрастает на 8—12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшения качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и ^кривошипно-шатунного механизма;

соляная кислота

admin — Mon, 02 Mar 2009 21:17:13 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности формируются защитные слои из хлоридов железа. Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.

При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и трибо-техническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для эффекта безызносности. Структура сервовитной пленки содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов.

Надежность двигателей внутреннего сгорания зависит от износостойкости гильз цилиндров и шеек коленчатых валов. Особенно это актуально для высокофорсированных дизелей с турбонаддувом, требования к прочностным и триботехниче-ским свойствам поверхностей трения которых ужесточены.

Для повышения задиростойкости и износостойкости соединения «поршневое кольцо - гильза цилиндра» высокофорсированных дизелей применяют различные защитные и приработочные покрытия. При нанесении пластичного металлического покрытия на детали трущихся соединений прочность покрытия на срез оказывается меньше, чем в металле подложки. За счет этого удается снизить коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхности с покрытием из-за отсутствия (или уменьшения) схватывания и глубинного разрушения металла, что особенно существенно при высоких нагрузках и скоростях скольжения.

Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления, полуавтоматы, автоматы и станки.

На рис. 46 приведена простейшая схема фрикционного латунирования втулки. Приспособление 4 с латунным прутком 3 крепят на борштанге 5, установленной в резцедержателе 6 токарного станка. В процессе латунирования латунный пруток прижимается к поверхности втулки 2 с усилием, соответствующим давлению 70 МПа, и перемещается вдоль втулки с подачей 0,2 мм/об. Втулка, закрепленная в патроне 2токарного станка, вращается с окружной скоростью 0,3 м/с. Среда, состоящая из глицерина и активатора, подается в зону латунирования обычной капельницей.

фрикционно-химическое нанесение покрытия

admin — Mon, 02 Mar 2009 21:16:44 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли Пластичных металлов, например дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот.

Опишем режим фрикционной обработки втулки прутковым инструментом: окружная скорость поверхности детали — 0,15—0,3 м/с; давление прижатия прутка — 102-150 МПа;

ФАБО

admin — Mon, 02 Mar 2009 21:16:04 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

ФАБО применяется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) был предложен Д. Н. Гарку-новым и В. Н. Лозовским.

Основные способы ФАБО условно делятся на две группы:

1. Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение); фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах, содержащих различные поверхностно-активные вещества и соли металлов, способные к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т.д. из неметаллического инструмента; фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.

2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.

К разновидностям ФАБО относятся:

химико-механическое нанесение покрытий (Россия);

нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ);

натирание поверхности латунью (Россия);

электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);

механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);

химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других.

При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесением покрытий трением.

Использование ФАБО имеет следующие достоинства:

небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии;

стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения от оптимальных;

автоматизация процесса;

экологическая безопасность;

высокая экономическая эффективность и др.

Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при достаточно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность. Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70—80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта.

ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и Другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной Массой.

сервовитные пленки

admin — Mon, 02 Mar 2009 21:15:42 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Для образования сервовитных пленок в соединениях, не содержащих медных или других пластичных сплавов (цинка, олова, серебра, золота, палладия и др.)> необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие рабочие жидкости, например топливо, промывочные и охлаждающие жидкости.

Одним из главных факторов, указывающих на наличие одновременного протекания при трении трибокоордина-ции и трибовосстановительного распада, который приводит к самоорганизации фрикционной системы (пары трения), является автоколебание концентрации медьсодержащих продуктов в смазочном материале, то есть наличие определенной эволюции процессов в зоне контакта трущихся поверхностей.

В природе существуют фундаментальные явления, процессы, механизмы (на нано-, микро- и макроуровнях), связанные с физикой, химией, энергетикой поверхностей материалов, веществ и частиц. В результате исследований ученых трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы — оно в определенных условиях может быть реализовано как самоорганизующийся созидательный процесс, позволяющий разработать новые, ранее неизвестные методы восстановления деталей и технического сервиса машин. К ним, в частности относятся: технология финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), методы ускоренной приработки (обкатки) деталей машин и оборудования, безразборное восстановление агрегатов и узлов техники при непрерывной работе и др.

На износостойкость трущихся поверхностей большее влияние оказывает их окончательная (финишная) механическая (абразивная) обработка, при которой уменьшается шероховатость (путем тонкого шлифования, плосковершинного хонингования, суперфиниширования, полирования и т.д.).

Конструкционные материалы, поверхности которых обладали бы одновременно высокими прочностными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, могут быть получены путем нанесения специальных нанострукту-рированных покрытий.

Для их нанесения или осаждения существуют различные технологии. В зависимости от комбинации «покрытие-подложка» и условий применения покрытия способы нанесения покрытия реализуются с помощью самых разнообразных установок.

В промышленности широко применяется метод фрикционного (с помощью трения) нанесения медьсодержащих покрытий — финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО). Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносятся в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей — коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различного вида штоки, пальцы, резьбовые соединения и т.д.

Строение сустава живого существа

admin — Mon, 02 Mar 2009 21:15:02 +0000

Нанотехнологии. Наука будущего

Обращаясь за примерами к живой природе, можно обнаружить, что подобные соединения, обладающие практически полной безызносностью, уже давно существуют. Суставы живых организмов десятки лет действуют на принципах, к которым современная наука только приближается, создавая так называемые интеллектуальные самонастраивающиеся подвижные соединения.

Строение сустава живого существа и пары трения бронза-сталь в условиях ИП достаточно близки (рис. 45). В суставе также работают два мягких хряща 4, покрывающих костную ткань и разделенных полимерной, можно сказать «сервовитной», пленкой. В качестве смазывающей среды выступает синовиальная жидкость 1.

Явление ИП объясняет, почему компрессоры холодильных установок десятилетиями работают в тяжелейших условиях пуска-останова без отказов и, следовательно, без ремонта, да и практически без какого-либо технического обслуживания: в них образуется определенная самоорганизующаяся система, которая регулирует процессы изнашивания и регенерации трущихся поверхностей.

Чтобы теоретически объяснить процесс восстановления трущихся соединений при их непрерывной и длительной эксплуатации, наиболее важен механизм образования сервовитной пленки. Выявлено, что он может идти двумя путями. Первый характеризуется предварительным схватыванием и «намазыванием» медного сплава на поверхность стали с последующим обогащением сопряженных поверхностей трения медью вследствие избирательного растворения медного сплава и «намазанного» слоя с образованием квазижидкой пленки меди на обеих поверхностях трения. Второй путь связан с коррозией медного сплава и последующим атомарным переносом меди. В период намазывания коэффициент трения повышается, а затем (по мере выделения меди) постепенно стабилизируется. Во втором случае коэффициент трения сразу же начинает уменьшаться, следовательно, схватывания не происходит.