Témata
Reklama

Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

Nanotechnologie je nová disciplína s významným potenciálem pro tvorbu nových materiálů, zlepšováním energetické a ekologické náročnosti a vytvářením nových možností pro různé aplikační použití. O vlastnostech nanomateriálů rozhoduje nejen chemické, ale i strukturní složení. Pokud je alespoň jeden rozměr struktury materiálu v rozměrové oblasti 1–100 nm, objevují se významné změny ve vlastnostech tohoto nanomateriálu ve srovnání s podobnými materiály složenými ze struktur o větší velikosti. Výzkumníci pracují na modifikaci povrchu například pomocí plazmových technologií k výrobě nanopovlaků se zlepšenou tvrdostí a odolností proti opotřebení. Nanovlákenné struktury umožňují efektivnější filtrační procesy. Nanočástice zase zvyšují otěruvzdornost kompozitů či zlepšují tribologické chování lubrikantů.

Nanostruktury rozdělujene podle jejich dimenzionality na:

  • bodové D0 – nanočástice (obr. 1 a 2);
  • jednorozměrné D1 – nanovlákna (obr. 3);
  • dvojrozměrné D2 – nanovrstvy (obr. 4 a 5);
  • trojrozměrné D3 – nanokompozity (obr. 6).
Reklama
Reklama

Nanočástice

Nanočástice jsou základní stavební jednotky, které definují základní vlastnosti, jako je rozměr, tvar, atomová struktura, krystalinita, mezifázové rozhraní a chemické složení. Nanočástice a nanoprášky jsou typy strukturovaných nanomateriálů, které nalézají široké uplatnění v průmyslu. Díky jejich vysokému povrchu jsou vhodnými materiály hlavně pro katalytické procesy, které výrazně snižují emise nebezpečných látek znečišťujících životní prostředí. Na obr. 1 jsou zobrazeny nanočástice stříbra s výrazným antibakteriálním efektem. Nejvýznamnější vliv na chování nanočástic má poměr povrchu k jejich objemu. Objem se s velikostí snižuje, ale podíl atomů na povrchu částic se zvyšuje. Z tohoto důvodu převažují povrchové vlastnosti nanočástic nad vlastnostmi objemovými. Proto nanotechnologie umožňují přípravu nových materiálů s lepšími fyzikálními, chemickými a biologickými vlastnostmi.

Obr. 1. Nanočástice Ag (SEM TUL)Negativní dopad na životní prostředí mají nanočástice vznikající ve spalovacích prostorech konverzí polutantů z plynů do částic nukleací v atmosféře. Na obr. 2 jsou zobrazeny nanočástice uhlíku zachycené z výfukového systému spalovacího motoru.
Obr. 2. Nanočástice uhlíku (SEM TUL)

Nanovlákna

Nanovlákna (obr. 3) patří mezi perspektivní materiály současnosti. Jejich vynikající vlastnosti jako jejich velký měrný povrch, vysoká pórozita, malá velikost pórů a malé průměry z nich dělají žádoucí materiál pro všechny obory počínaje textilním, chemickým či strojírenským průmyslem a konče medicínou. Nanovlákna lze vytvářet z materiálů všech typů, k jakým patří uhlík, anorganické krystaly, kovy, sklo, keramika, a zvláště pak z polymerových materiálů, které s výhodou používá příroda. Keramická vlákna stejně jako většina vláken kovových se využívají především jako výztuže kompozitů. Mezi keramická vlákna počítáme vlákna čedičová, strusková, vlákna karbidu křemíku, z nichž zvláště krátká vlákna – viskery – mají velmi vysokou pevnost.


Obr. 3. Nanovlákna PU (SEM TUL)

Nanotechnologie přináší nové možnosti v oblasti filtrace. Filtr vytvořený z nanovláken se vyznačuje vysokou pórovitostí, při velmi malém objemů jednotlivých pórů. K dalším vlastnostem patří nízká hmotnost, velký měrný povrch, hydrofobní vlastnosti, filtrace biologických nečistot apod.

Nanostrukturní vrstvy

V oblasti povrchového inženýrství jsou na části nástrojů a materiálů nanášeny nanostrukturní vrstvy. Nanostrukturní vrstvy představují skupinu dvoudimenzionálních strukturovaných nanomateriálů. Ve většině případů jsou tvořeny dvěma fázemi koncentrovanými do malých oblastí – jejich typická velikost je cca 100 nm nebo menší. Nanovrstvy mají za cíl chránit nástroje a namáhané materiály před oděrem, opotřebením, korozním anebo oxidačním působením. Pro tento účel se používají například vrstvy z uhlíku, nitridů, karbidů či oxidů kovů, které mají výjimečné mechanické, fyzikální, chemické či biologické vlastnosti (obr. 4 a 5). Zobrazené nanovrstvy jsou charakteristické svou vysokou otěruvzdorností a dobrými tribologickými vlastnostmi.

Obr. 5. Píst s nanovrstvou DLC (makro TUL)
Obr. 4. Vrták s nanovrstvou TiAlN (makro SHM)Obr. 5. Píst s nanovrstvou DLC (makro TUL)

Nanokompozitní materiály

Nanokompozitní materiály jsou definovány jako materiály složené ze dvou nebo více různých složek, z nichž alespoň jedna se v materiálu vyskytuje ve formě částic o velikostech jednotek až desítek nanometrů. Většinou jde o nanočástice aktivní látky (tj. látky se zajímavými magnetickými, elektrickými a jinými vlastnostmi) rovnoměrně rozptýlené v matrici. Jeden ze slibných bodů v současném rozvoji v materiálovém výzkumu je příprava organicko-anorganických nanokompozitů, které výrazně navyšují a současně poskytují nové vlastnosti materiálů, jež neexistují u konvenčních organických a anorganických materiálů. Na obr. 6 je ukázka nanokompozitu složeného z organicko-anorganických materiálů.

Obr. 6. Nanokompozit – anorganická nanovlákna v organické matrici (SEM TUL)

Nanoelektromechanické systémy

Nanoelektromechanické systémy (NEMS) odpovídají nanoskopickým zařízením, jejichž délka je menší než 1 μm a jsou tvořeny elektrickými a mechanickými prvky. Příklad nanoelektromechanického systému je na obrázku 7.

Obr. 7. NEMS (SEM www.memx.com)



Dopad nanotechnologie na různé oblasti lidského života je dalekosáhlý. Je považována za jednu z nejdůležitějších technologií pro 21. století díky svému ekonomickému potenciálu v nových nebo optimalizovaných produktech a její očekávané příspěvky k úsilí minimalizovat spotřebu zdrojů. Nanotechnologie umožňuje pěstovat a vyrábět vícevrstvé nanostruktury a zařízení složená z různých materiálů s nanometrickým rozměrem. Nanosenzory umožňují nová řešení ve fyzikálně-chemickém a biologickém snímání, umožňují zvýšení citlivosti detekce, schopnosti integrace nanosystémů a využitelnosti pro širokou škálu průmyslových, medicínských, bezpečnostních a environmentálních analýz.

Petr Louda, Totka Bakalova

TU Liberec, Fakulta strojní, Katedra materiálů

petr.louda@tul.cz

www.kmt.tul.cz

Seznam použité literatury:

  • Mechanical characterization of a-C:H:SiOx coatings synthesized using radio-frequency plasma-assisted chemical vapor deposition method By: Batory, D.; Jedrzejczak, A.; Szymanski, W.; et al. THIN SOLID FILMS Volume: 590 Pages: 299-305 Published: SEP 2015
  • Impact of natural nanoadditives on the tribological and chemical properties of process fluids By: Bakalova, T.; Louda, P.; Volesky, L.; et al.OXIDATION COMMUNICATIONS Volume: 38 Issue: 4A Special Issue: SI Pages: 2135-2146 Published: 2015
  • Mechanical, tribological and corrosion properties of CrBN films deposited by combined direct current and radio frequency magnetron sputtering By: Jahodova, Vera; Ding, Xing-zhao; Seng, Debbie H. L.; et al. Conference: International Conference on Technological Advances of Thin Films & Surface Coatings Location: Singapore, SINGAPORE Date: JUL 15-17, 2012 THIN SOLID FILMS, 2013
  • Study of surface morphology, structure, mechanical and tribological properties of an AlSiN coating obtained by the cathodic arc deposition method By: Petkov, Nikolay; Bakalova, Totka; Cholakova, Tetiana; et al.SUPERLATTICES AND MICROSTRUCTURES Volume: 109 Pages: 402-413, 2017
  • Influence of the Plasma-Immersion Ion Implantation of Titanium on the Structure, Morphology, and Composition of the Surface Layer of Zr-1Nb Alloy By: Sutygina, A. N.; Nikitenkov, N. N.; Kashkarov, E. B.; et al. JOURNAL OF SURFACE INVESTIGATION Volume: 11 Issue: 2, 2017

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 190449
Datum: 10. 04. 2019
Rubrika: Trendy / Materiály
Autor:
Firmy
Související články
Materiálová řešení vodovodních fitinků

První část článku, která byla uveřejněna v minulém čísle, pojednávala o problémech s náhradou kovových součástí plastem a krípu, jako základního nedostatku termoplastů. V tomto čísle budou probrány možná řešení náhrady jinými materiály.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Související články
Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
O materiálovém inženýrství pro strojírenství

Ve srovnání s tradičním strojním inženýrstvím vzniklo materiálové inženýrství jako vědní a studijní obor před poměrně krátkou dobou. Zkušenosti ukazují, že jeho podstata není části technické veřejnosti a zejména mnohým studentům strojního inženýrství zcela jasná. To je i možnou příčinou, že počet materiálových inženýrů neodpovídá potřebám strojírenského průmyslu. Materiálové inženýrství se přitom zásadním způsobem podílí na modernizaci a konkurenceschopnosti strojírenských výrobků a zařízení, zvyšování efektivnosti jejich výroby a snižování energetické náročnosti jejich provozu.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci, Sekce Materiálové inženýrství a technologie

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborně podporovat rozvoj technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR, sdružující přední specialisty daného oboru, poskytují expertní a poradenské služby a vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím vycházejícím z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra budeme čtenářům v průběhu roku 2016 jednotlivé odborné sekce postupně představovat.

EMO Hannover 2013: část 7 - Technologie, které mnohdy nejsou vidět

Význam a odborný dopad hannoverského veletrhu EMO je tak zásadní v oboru technologie obrábění, že se mu věnujeme na stránkách MM Průmyslového spektra i čtvrtý měsíc po zavření bran výstaviště. Tentokrát přinášíme ucelený pohled na materiály použité ve stavbě strojů.

EMO Hannover 2011, Část 8 - Materiály ve stavbě strojů

Dnešním předposledním dílem již pomalu uzavíráme náš profesně tříděný pohled na loňskou výstavu EMO Hannover. Dnes se zabýváme materiály ve stavbě obráběcích strojů, v příštím vydání se můžete těšit na zpracovanou oblast brousicích strojů.

Německé inovace ocelí 2012

Předposlední červnový den vyhlásilo německé centrum pro informace o oceli Stahl-Informations-Zentrum v Düsseldorfu vítěze ceny Stahl-Innovationspreis 2012 v kategoriích: inovace výrobků z oceli, oceli pro stavebnictví, výzkum a vývoj ocelí, design výrobku z oceli a zvláštní cenu pro výrobek z oceli s největším ekologickým přínosem.

Vysokopevnostní ocelové plechy svařované laserem

Vysokopevnostní a otěruodolné oceli Optim a Raex, vyvinuté společností Ruukki, nabízejí jedinečné možnosti aplikace pro výrobce různých typů sklápěčů a nádrží. Raex je extrémně tvrdá, otěruodolná ocel, zatímco v případě oceli Optim jde o vysokopevnostní konstrukční ocel. Společně umožňují výrobu optimalizovaných a lehčích ocelových konstrukcí bez ztráty tvrdosti a pevnosti.

Ocel odolná proti opotřebení pro náročné použití

Ocel Raex odolná proti opotřebení od společnosti Ruukki byla navržena tak, aby vydržela i ty nejnáročnější podmínky, proto představuje bezpečnou a nákladově efektivní volbu pro potřeby těžebního průmyslu. I přes svou vysokou pevnost a tvrdost se ocel Raex může pochlubit dobrou svařitelností a tvářitelností.

Optimalizované obrábění tvrdokovů

Tvrdokovy se skládají z jemných zrn velmi tvrdých materiálů - zpravidla karbidu wolframu - s kovovým pojivem, jako je např. kobalt. Jsou vytvářeny metodou práškové metalurgie a po sintrování dosahují vysokých hodnot pevnosti a tvrdosti. Tvrdokovy se přednostně používají pro výrobu obráběcích nástrojů, přesto také u řezných a tvářecích nástrojů vede jejich vynikající životnost k rostoucí poptávce. Pro tento účel vyžadované třískové obrábění přináší vysoké náklady. V rámci semináře u jednoho výrobce obráběcích strojů prezentují odborníci z oblasti technologií, obráběcích strojů, nástrojů a softwaru CAD-CAM své zkušenosti i řešení využitelná v praxi.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit