Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Aplikace nanomateriálů ve strojírenství
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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).

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. 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

 

Další články

Výzkum/ vývoj
Materiály konstrukční nekovové
Materiály konstrukční kovové

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: