Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Рис. 60. Схема PVD-метода нанесения нанопокрытия: 1 – дверь; 2 – обрабатываемая деталь; 3 – металлизатор; 4 – вакуумная камера (печь); 5 – трубопровод к вакуумному насосу; 6 – нагревательный элемент

Рис. 61. Вакуумная печь для нанесения нанопокрытий PVD-методом

С применением этой установки можно реализовать несколько вариантов метода (например, низкочастотное плазменноионное распыление – PECVD, PACVD), в том числе и для нанесения покрытий на пластмассы при низких температурах. Так, метод PCVD позволяет снизить температуру нанесения покрытия до температур, используемых при PVD-методе, и является комбинацией двух процессов.

Среди PVD-методов наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазмы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ). Возможность широкого варьирования температур в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов нанесения покрытий на инструменты из твердых сплавов. Эти методы оптимальны и как способ получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных и карбонитридных соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf.

В последнее время разработан метод ALD (Atomic Layer Deposition – атомно-слоевое осаждение), основанный на хемосорбции наносимых материалов из газовой фазы. Данный метод является циклично-дискретным.

На основе рассмотренных выше методов можно получить различные покрытия, обладающие самым широким спектром свойств (рис. 62).

Рис. 62. Различные комбинации получаемых покрытий: а) слоистые (двухкомпонентные) покрытия; б) многослойные (например, металлополимерные) покрытия; в) композиционные покрытия

Кроме получения обыкновенных защитных покрытий (анти-износных, противокоррозионных, декоративных и др.), эти методы позволяют добиться ряда уникальных свойств поверхности. Многослойные и композиционные покрытия применяются при изготовлении электролюминесцентных слоев и оптических фильтров, зеркал и т. п.

Рассмотренные технологии очень широко применяются для повышения стойкости инструментальных материалов (твердые сплавы, керамика и сверхтвердые материалы). При этом доля инструментов с покрытием, полученным CVD-методом, в 2005 году составляла около 41, затем снизилась до 38 %, а количество инструментов с покрытием, полученным PVD-методом, возросло до 15 %.

Особое место занимают технологии по наноинженерии лакокрасочного покрытия (ЛКП) автотранспортной техники. Внешний вид, качество и долговечность ЛКП автомобиля, несомненно, является отражением технического состояния всего транспортного средства, и к нему предъявляются очень жесткие и специфические требования.

Благодаря широкому диапазону свойств и эффектов, достигаемых при помощи нанотехнологий, в том числе «эффекта лотоса», в настоящее время имеется возможность обновления и защиты внешнего вида автомобилей при относительно низких затратах, что снижает расходы на эксплуатацию и повышает рыночную стоимость машины при перепродаже.

Более подробно о нанотехнологических разработках для автомобильной промышленности будет рассказано в следующей главе.

Говоря о чисто конструкционных задачах в наноинженерии поверхности, следует отметить работы, проведенные сотрудниками Университета Райс (США). Лауреат Нобелевской премии профессор Ричард Смолли и Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) в процессе целенаправленных исследований сделали определенный шаг вперед в направлении создания условий для самоорганизации (самосборки) нанотрубок в упорядоченную высокопрочную структуру (рис. 63).

Они установили, что, например, серная кислота способна воздействовать на поведение нанотрубок, а также жидких кристаллов в растворах таким образом, что они могут выстраиваться в более сложные, но изначально заданные (запрограммированные) структуры.

Рис. 63. Самоорганизация нанотрубок в упорядоченную высокопрочную структуру: F – внешняя нагрузка

Данными исследованиями уже заинтересовались вооруженные силы США, которые рассчитывают использовать материалы на основе упорядоченных нанотрубок для создания сверхпрочных пластмасс. Эти высокопрочные пластмассы могут быть успешно использованы для создания сверхлегких, но достаточно прочных летательных аппаратов, космической, автомобильной и другой военной техники.

По прогнозам ученых, в будущем наноинженерия будет осуществляться на специальных (крупных или портативных) нанофабриках с помощью нанороботов непосредственно из атомов или молекул.

В настоящее время такая идея кажется полной фантастикой, но кто бы мог подумать всего пятьдесят лет назад о возможности изготовления и повсеместного применения персонального компьютера (типа ноутбука), кроме самых смелых ученых в данной области. Что же тогда говорить о более отдаленном периоде времени.

Некоторые аспекты нанотрибологии

Трение – удивительный феномен природы! Оно подарило человеку тепло и огонь… возможность записать человеческий голос, услышать звуки скрипки и многое другое.

Д. Н. Гаркунов, доктор технических наук, профессор

Нанонаука и нанотехнология стали наиболее востребованными и престижными в последнее десятилетие, однако исследования в нанохимии и нанофизике ведутся уже около полувека, а ряд наноматериалов известен еще с древности. Уместно привести шутку одного из английских физиков, известного ученого в области микроэлектроники и сенсорных устройств, который сказал, что ученые «очень давно занимаются “этими штуками”, но только недавно им сказали, что это наночастицы». В примере истинно английского юмора содержится большая доля истины.

Трибология изучает контактное взаимодействие твердых тел при их относительном движении, включая комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки и самоорганизации. При этом следует отметить тот факт, что практически все вопросы трибологии связаны с изучением процессов, протекающих в поверхностном слое (межфазной границе) контактируемых деталей, толщина которых составляет от нескольких миллиметров до нанометрического атомного уровня.

При трении поверхностей деталей друг с другом, как при их смазывании (жидкостное и граничное трение), так и при его полном отсутствии (сухое трение) в зоне контакта происходит изменение их макроструктурного и наноструктурного строения, следствием которого является износ и разрушение трущихся поверхностей деталей.

Трение долгое время воспринималось как явление, приводящее к большим материальным потерям в экономике всего мира. Известно, что больше половины топлива, потребляемого автомобилями, тракторами, тепловозами и другими видами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в трущихся соединениях. Например, в текстильном производстве на преодоление сопротивления трения затрачивается около 80 % потребляемой электрической энергии. Низкие коэффициенты полезного действия большинства устройств обусловлены, главным образом, потерями на трение. КПД глобоидного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежущем оборудовании, шахтных подъемниках и др. даже и после приработки составляет только 0,65-0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, и того меньше: лишь 0,25.

Именно по причине нулевого КПД в 1775 году Французская академия наук приняла официальное решение об отказе рассматривать какие бы то ни было проекты «перпетуум-мобиле» – вечного двигателя, за более чем семьдесят лет до открытия закона сохранения энергии, со следующим объяснением: «Построение перпетуум-мобиле абсолютно невозможно. Если бы даже трение и сопротивление среды в течение длительного времени не смогли уничтожить двигательной силы, то эта сила могла бы произвести только эффект, равный причине… Если бы можно было пренебречь трением и сопротивлением среды, то тело, приведенное в движение, могло бы оставаться в движении, но не оказывать воздействие на другие тела, и «перпетуум-мобиле», который получился бы в этом гипотетическом случае (что в природе невозможно), был бы абсолютно бесполезен.».

Многие непонятные для своего времени явления с развитием нанонауки получили научное обоснование и дальнейшее практическое развитие. То, что трение является неравновесным термодинамическим процессом, было известно давно, но только в последние годы установлено, что при глубокой неравновесности и нелинейности возможна самоорганизация и образование при трении особых наноразмерных структур с уникальными трибологическими свойствами. Таким образом, выявилась возможность работы при более совершенной системе, чем трение при граничной смазке.