Век нанокомпозитов. Факты, практика, перспективы

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Век нанокомпозитов. Факты, практика, перспективы

Гончаренко А.С. 1
1МКОУ Ясенковская СОШ
Гончаренко Е.М. 1
1МКОУ Ясенковская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Композитные материалы. Общий обзор

19-20 век - век технической революции. В колыбели этого периода родилось поколение Z – наши современники. Поколение Z интересуется наукой, занимается инженерно-техническими вопросами,  биомедициной, робототехникой, осваивает космические просторы.

Современный научный прогресс характеризуется стремительным развитием, что позволяет человечеству ставить все новые, нередко просто фантастические цели и достигать их. Для представителей нового цифрового поколения нет нерешаемых проблем, есть проблемы, для решения которых еще не пришло время.

Одной из таких проблем является поиск путей совершенствования использования композитных материалов в авиации (космосе). Поэтому

тема моего исследования: «Век нанокомпозитов. Факты, практика, перспективы»

Люди всегда пытались сделать лучше свойства доступных природных материалов для удовлетворения своих потребностей. Преобразование материалов происходило благодаря специальному воздействию (например, температурному) или в результате смешивания нескольких компонентов для получения совершенно нового материала, характеристики которого превосходили исходные.

Сегодня подобные материалы называют композитами1, и они используются во всех сферах человеческой жизни.

Меня интересует применение КМ в авиа и ракетостроении, потому что в 21 веке освоение космоса - одна из глобальных мировых проблем, требующих скорейшего решения.

При создании любого летательного объекта учитываются следующие параметры: прочность, надежность, безопасность. Именно КМ показывает наиболее высокие показатели перечисленных свойств, поэтому с начала 90-х годов прошлого века доля КМ в устройстве летательных аппаратов увеличилась с 3% до 65%. Проанализируем сведения об использовании КМ в аэрокосмической области, предоставленные Всероссийским институтом авиационных материалов2.

Рис.1

Выводы очевидны:

- во-первых, в настоящее время в конструкциях всех летательных аппаратов используются КМ (иногда до 65%); во-вторых, использование КМ обеспечивает конструкции высокую прочность, износостойкость и малый вес;

в-третьих, производство и использование КМ регламентировано распоряжением Правительства РФ в рамках реализации Государственной программы развития авиационной промышленности на 2012-2025 годы. 

Представленные выводы подтверждают актуальность моего исследования.

Получение современных КМ возможно исключительно благодаря использованию инновационных научных технологий. На графике представлена динамика развития нанотехнологий в области получения КМ за последние 5 лет в мировой экономике. Показатели свидетельствуют о том, что динамика увеличилась с 11-15% до 35-40% в год. Следовательно, внедрение нанотехнологий в производство КМ является перспективным и не только для аэрокосмической отрасли.

Цель моей работы: изучить виды современных КМ (нанокомпозитов), используемых в авиа и ракетостроении и определить перспективы дальнейшего развития.

В ходе исследования я ставил перед собой следующие задачи:

1. Изучить существующие научные и исследовательские опыты о КМ, в которых отражена проблема исследования.

2. Исследовать КМ, созданные при помощи нанотехнологий; выявить преимущества и недостатки, востребованность в аэрокосмической отрасли.

3. Определить возможные пути совершенствования использования КМ, созданных посредством нанотехнологий в авиа и ракетостроении.

Результаты моего исследования могут быть полезны для компаний, специализирующихся на исследованиях в области нанотехнологий; Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос»; Всероссийского института авиационных материалов (г. Москва); Министерства обороны РФ.

Основное содержание работы

Глава 1. Классификация композитных материалов

Потребность современной аэрокосмической отрасли в новых конструкционных материалах, обладающих необходимыми улучшенными свойствами, ставит перед инженерами задачу изобрести такие материалы посредством использования нанотехнологий.

На сегодняшний день существует немало предприятий, выпускающих КМ, пригодных для промышленного производства. Изучив информацию о КМ в современных справочных пособиях3, я классифицировал все существующие КМ следующим образом (Рис.2)

Классификация КМ

 

По природе

компонентов

По структуре композита

По свойствам армирующих компонентов

По количеству компонентов

По методу получения

металлические

каркасная

порошковые и гранулированные

полиматричные

искусственные

полимерные

матричная

волокнистые

гибридные

естественные

жидкокристал-

лические

слоистая

слоистые

керамические

комбинированная

неорганические

Рис.2

Глава 2. Нанокомпозиты – шаг в будущее

Применительно к космическому машиностроению востребованы КМ, которые позволяют снизить вес изделия (самолета, космического корабля и т.д.), как следствие сократить расход топлива и повысить надежность. На графике (Рис.1) показана история использования КМ в конструкции летательных аппаратов. Результативность положительная и динамичная. Но меня больше интересуют нанокомпозиты, которые способны сделать новый

прорыв в науке.

Главное достоинство этих КМ в способности их свойств изменяться в зависимости от внешних факторов. Благодаря структуре и составу они выполняют одновременно несколько функций: функцию исходного материала с необходимыми параметрами, функцию датчика, реагирующего на воздействие; функцию запрограммированного действия (в результате воздействия). К ним относятся: самовосстанавливающиеся КМ, КМ с эффектом памяти, самосмазывающиеся КМ, самоочищающиеся КМ.

Выдвигая теорию создания «умных» нанокомпозитов, разработчики руководствовались естественными процессами, протекающими в растительном и животном мире. Например, процесс открытия-закрытия цветка в зависимости от освещённости; «эффект лотоса»; способность живых тканей (в частности кожи и внутренних органов человека) самозаживляться, восстанавливаться благодаря свойству свертывания крови.

Как эти процессы можно соотнести с конструкцией и свойствами летательного аппарата? В космическом пространстве летательные аппараты регулярно подвергаются воздействиям различного происхождения: повторяющийся резкий перепад температур (на Солнце +4 гр. и выше, в земной тени до -160 гр.); удары космических тел (космической пыли, космического мусора, микрометеоритов).

Подобные воздействия приводят к появлению в корпусе летательного аппарата микротрещин, а микротрещины выводят летательный аппарат из строя. Как космонавты могут исправить возникшую проблему? В условиях открытого космоса любые действия могут причинить вред здоровью и жизни членов экипажа космического корабля. С такой же проблемой сталкивается и самолетостроение.

Решить проблему повреждения корпуса любого летательного объекта можно, используя нанокомпозиты. Первые исследования и опыты уже есть. Европейское космическое агентство разработало новый вид КМ - экспериментальный конструкционный материал, способный к так называемой саморегенерации.

Повреждения в корпусе затягиваются специальным изначально жидким, но быстро затвердевающим составом, при этом не повреждают корпус. Я уверен, что в скором будущем появится и аэрозольная форма подобного нанокомпозита. Аэрозольная форма будет применима не только для восстановления повреждений корпуса, но для всех типов повреждений, включая механические части. Не менее перспективны и важны в аэрокосмической отрасли и другие виды нанокомпозитов.

Впереди многочисленные испытания, пробы, выводы. Важно создать самовосстанавливающиеся КМ с высокими показателями прочности и устойчивости. Но ученые уверены в успешности работы в этом направлении и прогнозируют появление уникальных по своим свойствам КМ через 10-15 лет.

Маркетинговые компании уже сегодня активно рекламируют «умные» нанокомпозиты. На мой взгляд, особенно успешно, нанокомпозиты представлены через кино и игроиндустрию. Мы с замиранием сердца ждем встречи с Железным человеком, Терминатором, Звездным десантом, порою даже не задумываясь о том, что способности этих героев вполне реальны. Давайте проанализируем эпизоды из кинофильма «Терминатор»: робот попадает в открытое пламя (то есть подвергается температурному воздействию) или в жидкий азот, превращается в бесформенное вещество и снова принимает форму робота (то есть восстанавливается, регенерируется). Это не чудо и не фантастика! В основе материала, из которого выполнена модель робота находятся «умные» КМ с эффектом памяти. А ведь эти кинофильмы сняты 20 лет назад! Я учусь в 7 классе и только начал изучать физику, поэтому пока у меня нет возможности опытным путем доказать осуществимость изобретения «умных» нанокомпозитов по-научному. Тем не менее, я совершенно уверен в их появлении и скором широком распространении. Во время исследования мне вспомнилось любимое высказывание моего учителя физики. Оно принадлежит великому философу Джону Дьюи: «Каждый великий успех науки имеет своим истоком великую дерзость воображения». Сегодня это результат моего воображения, а завтра вполне реальная действительность.

Стремление человечества обладать сверхспособностями, которые может обеспечить использование КМ нового поколения, безусловно, повлечет широкий спрос и положительно скажется на экономическом развитии страны, занимающейся производством «умных» КМ. На сегодняшний день наша страна активно наращивает производство КМ, о чем свидетельствуют итоги Международного Композитного форума 2018, состоявшегося совсем недавно в Петербурге.

Исследование и создание КМ востребовано еще и потому, что объединяет несколько крупных смежных областей: ядерная физика, электронная техника, машиностроение, медицина, военное дело.

Итак, в ходе своего исследования я познакомился с видами КМ, узнал о новом поколении нанокомпозитов, классифицировал их по сходным признакам. Решение поставленных задач позволило мне сделать вывод: производство и использование КМ в аэрокосмической отрасли оправдывает затраты и является очень перспективным. Применение КМ дает человеку большие преимущества благодаря уникальным свойствам этого материала. КМ нового поколения выдерживают резкие перепады высоких и низких температур, обладают радиопоглащающими свойствами, способствуют развитию стелс-технологий – именно эти задачи в современном мире являются первостепенными. За время исследования я много раз встречался с выражением «композиционные материалы – материалы будущего». Сейчас я с уверенностью могу сказать, что, благодаря стараниям наших ученых: «Композиционные материалы – это материалы настоящего!»

Конечно же, наука – эта такая сфера деятельности человека, где трудно найти идеал из-за постоянного развития и совершенствования. Но нанокомпозиты мне хочется назвать идеалом развития науки 21 века, и я очень хочу быть причастным к изобретению новых композитных материалов.

PS: Презентация к исследовательской работе прилагается в пересылаемом файле.

Список использованных источников и литературы:

Источники:

1. www.issep.rssi.ru Композиционные материалы

2. www.elementy.ru/news/ Космические композитные материалы займутся самолечением

3. Леонов В.В. Материаловедение и технология композиционных материалов: курс лекций// В.В. Леонов — Красноярск: 2007. — 241с. Анциферов В.Н.

4. Тялина, Л.Н. Новые композиционные материалы: учеб. пособие / Л.Н. Тялина, А.М. Минаев, В.А. Пручкин. – Издат. ГОУ ВПО ТГТУ Тамбов, 2011. – 80 с.

Исследования:

1. Новые материалы: учебное пособие // В.Н. Анциферов; Ф.Ф. Бездудный и др. под редакцией проф. Ю.С. Карабасова — М: «МИСИС», 2002. — 736с

2. http://forexaw.ru/ История и причины создания композиционных материалов.

3. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении Под ред. Гардымова Г.П. - СПб.:Спец Лит, 1999

Статьи:

1. Зуев Н.И., Голиковская К.Ф. - Журнал "Известия Самарского научного центра Российской академии наук" Выпуск№ 4-2 / том 14 / 2012

2. Ткачева В. Р. Нанокомпозиты — будущее машиностроения // Техника. Технологии. Инженерия. — 2016. — №1. — С. 37-40

Справочные издания:

1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х книгах. Кн.2 Под ред. Дж. Любина. - М.:Машиностроение, 1988

2. Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев [и др.]. под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с

1 Композитный материал (сокращенно КМ) – это материал, который состоит из двух или более компонентов – высокопрочного (армирующего) наполнителя и матрицы.

2Конверсия в машиностроении. №4 , 2004 www,viam.ru/public

3 Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев [и др.]. под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

Новые композиционные материалы: учеб. пособие / Л.Н. Тялина, А.М. Минаев, В.А. Пручкин. – Издат. ГОУ ВПО ТГТУ Тамбов, 2011. – 80 с.

Просмотров работы: 64