Применение нанотехнологий в авиационно-космической отрасли

ФГУП «ОНПП «Технология» более 15 лет ведет исследования в области нанотехнологий и сегодня имеет серьезные практические результаты, которые внедряются в конкретную продукцию авиационного, ракетно-космического и другого назначения, существенно улучшая ее характеристики. Исследования ведутся по нескольким направлениям.

Первым направлением является создание тонкопленочных покрытий для конструкционной и приборной оптики.

Физический принцип регулирования оптических свойств изделий посредством модификации их поверхности заключается в использовании интерференции электромагнитных волн. Толщины покрытий оптических фильтров в большинстве случаев имеют толщину, кратную четверти длины волны излучения, которое мы необходимым образом хотим редуцировать. Для видимого диапазона излучения это 10–125 нм. Варьируя число слоев с различными показателями преломления и их толщины можно создавать различные типы оптических светофильтров.

Коллективом разработчиков предприятия разработана промышленная технология нанесения методом катодного магнетронного напыления многофункциональных наноразмерных покрытий толщиной 3–10 нм на изделия остекления из силикатного и органического стекла. Это обеспечивает снижение в 3–4 раза воздействия электромагнитного излучения на экипаж и приборное оборудование, ослабление теплового потока солнечной радиации на 40% в диапазоне длин волн 0,9–2,5 мкм, улучшает оптические и антибликовые свойства за счет снижения коэффициента отражения от поверхности стекла в видимом диапазоне длин волн от 400 до 740 нм, существенно повышает абразивостойкость, серебро- и влагостойкость, термостабильность оптических и прочностных характеристик остекления. Изделия остекления с разработанными покрытиями поставляются на новые самолеты МиГ-29К, Су-30МКИ, Су-35, вертолеты «Ансат» и Ка-62. Возможности нанопокрытий будут расти по мере развития технологии создания все более тонких слоев для все более широкого круга материалов.

portalnano-image_big.jpegРисунок 1 – Камера для напыления нанопленок

Проведены первые успешные эксперименты по созданию упаковочного материала с наноразмерным покрытием определенных веществ, обладающих свойствами угнетения широкого спектра бактерий.

Сделан теоретический задел и проводится подготовка экспериментальной научной базы для создания технологии получения плазменных прецизионных покрытий для уникальных систем фемтосекундных лазеров. Планируется разработать технологи. Получения многослойных (с числом слоев 100–150) покрытий, при этом толщины некоторых слоев имеют величину в несколько нанометров, для создания чирпованных зеркал лазерных систем фемтосекундных лазеров.

Вторым направлением является разработка электрохимических устройств с применением твердых электролитов на основе диоксида циркония. Твердые электролиты представляют собой твердый раствор ZrO2 с добавками оксидов иттрия, кальция, магния, алюминия и других металлов обладают ионной проводимостью по кислороду. Уникальное сочетание высоких термомеханических и проводящих свойств материалов на основе частично стабилизированного ZrO2 обусловило широкое применение их в качестве твердых электролитов для высокотемпературных электрохимических устройств различного назначения:

  • в датчиках контроля кислорода в кабинах летательных аппаратах;
  • в высокотемпературных электролизерах воды для получения водорода;
  • в топливных элементах;
  • в кислородных насосах;
  • в датчиках контроля кислорода для оптимизации процессов литья конструкционных высококачественных сталей, для минимизации выбросов вредных веществ в автомобильных двигателях и для оптимизации и контроля процессов в химических и энергетических ядерных установках.

В качестве исходных компонентов для твердых электролитов используются нанокристаллические порошки диоксида циркония.

portalnano-image_big-2.jpegportalnano-image_big-3.jpegportalnano-image_big-4.jpegРисунок 2 – Структура порошков оксидов производства ФГУП «ОНПП Технология»

При применении нанокристаллических порошков (с размером кристаллитов 35–40нм) специалисты ОНПП «Технология» создали уникальные структуры с размером частиц 100 –150 нм, благодаря которым возможно получение повышенной термостойкости и трещиностойкости, расширенного диапазона рабочих температур и давлений высокотемпературных электрохимических устройств.

Третьим направлением исследований является изучение тенденции увеличения упруго-прочностных характеристик углепластика на основе эпоксидной матриц, модифицированной наночастицами. Для этого была использована золь-гель технология с целью введения наночастиц оксида циркония и других наномодификаторов в эпоксидную матрицу. Наномодифицирование полимерной матрицы наночастицами оксидом циркония позволило специалистам предприятия и других институтов России достичь увеличения упруго-прочностных характеристик полимерного композиционного материала на 25–30%. При этом наблюдается высокая стабильность полученных результатов («разброс» между минимальными и максимальными значениями предела прочности при сжатии в два раза меньше у наномодифицированного углепластика по сравнению с немодифицированным).

portalnano-1023-graphs-1.jpgРисунок 3,4

Композиционные детали, выполненные по данной технологии, позволяют изготавливать облегченные изделия с повышенными прочностными характеристиками: корпуса летательных аппаратов и детали для них.

Четвертым направлением работ в области нанотехнологий является создание материалов с более низкой теплопроводностью, чем теплопроводность воздуха. Для получения таких теплоизоляционных свойств учеными ОНПП «Технология» были выбраны высокодисперсные, наноструктурные материалы. Так как теплопроводность зависит не только от общей пористости материала, но и от размера пор, наноструктурные теплоизоляционные материалы с порами менее 100 нм имеют теплопроводность близкую или даже ниже теплопроводности воздуха. Это объясняется тем, что в этом случае диаметр пор материала меньше средней длины свободного пробега молекулы газа, его молекулы будут сталкиваться только со стенками пор без переноса энергии путем упругих ударов, что позволяет снизить теплопроводность до сверхнизких величин. Теплофизическая оценка опытных образцов подтвердила правильность подхода к выбору состава и технологии изготовления нового теплоизоляционного материала ТИМ-МП. Как видно из рисунка 5, коэффициенты теплопроводности наноструктурного теплоизоляционного материала заметно меньше, чем у волокнистых материалов типа ТЗМК.

portalnano-1024-graphs-2.jpgРисунок 5 – Температурные зависимости коэффициента теплопроводности волокнистого и наноструктурного теплоизоляционных материалов

Основными направлениями применения материала ТИМ-МП является теплоизоляция:

  • бортовых устройств регистрации полетных данных самолетов и вертолетов с целью сохранения их работоспособности в чрезвычайных ситуациях;
  • двигателей в гражданской авиации и ракетостроении;
  • сталеразливочных ковшей и прочих агрегатов для разливки металлов и сплавов;
  • энергетического оборудования, промышленных печей.

ФГУП «ОНПП "Технология», ГНЦ РФ
Адрес: 249020, г. Обнинск, Калужская область, Киевское шоссе, 15
Телефон: ( +7 (48439) 6–28–41, ( +7 (495) 232–10–45,
Факс: (48439) 64575
E-mail: info@technologiya.ru,
Internet : http://www.technologiya.ru

Статья для публикации предоствлена авторами


Авторы: В.В. Викулин, И.Л. Шкарупа

Данная статья была впервые опубликована в журнале «Наноиндустрия», декабрь 2009 г.

Сведения об авторах статьи:

1. Викулин Владимир Васильевич Федеральное государственное унитарное предприятие «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» (ФГУП ОНПП «Технология») 249035 г. Обнинск, Калужская обл., Киевское ш. 15 генеральный директор доктор технических наук профессор. Телефоны: 8 (48439) 6–45–75 (факс)

2. Шкарупа Игорь Леонидович Некоммерческое партнерство «Калужский региональный центр наноиндустрии» 249035 г. Обнинск, Калужская обл., Киевское ш. 15 генеральный директор кандидат технических наук Телефоны: 8 (48439) 9–68–26, 8 (495) 996–35–92 (раб.) e-mail: shkarupa@technologiya.ru

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.5 (6 votes)