Технология | Әскери технологияларда наноматериалдарды пайдалану

Әскери технологияларда наноматериалдарды пайдалану
РФ Президенті В.В. Путиннің айтуынша нанотехнология қазіргі заманға сай және байланыс құралын жасаудща негізгі сала болуы тиіс («В мире науки» май, 2007)
Композициялық материалдар бұрыннан қорғаныс өнеркәсібінде қолданылады: мысалы, авиациялық техниканың беріктігін арттыру үшін және массасын кеміту үшін пластиктер, армирлеуші шыны талшықтар мен көмірлі талшықтарды кеңінен қолданады. Нанотехнологияның дамуы соңғы жылдары артық сипаттамалар осындай материалдардың жаңа класы, атап айтқанда наноқоспасы бар нанокомпазиттер немесе нанокомпазиттердің пайда болуына алып келеді.
Компазициялық материалдарды зерттеуден шыққаны, құрамы бойынша әртүрлі гетерогенді жүйелер және олардың олардың арасындағы бөлімнің нақты шекарасы бар композиттер қасиеттері бар болып табылады. Фазаларды беріктеуші ретінде талшықтар (талшықты композициялық материалдар ТКМ), фальга немесе белдеулер (қабатты композициялық материалдар - ҚКМ) қолданыла береді.
Матрицалық негізінің құрамына қарай талшықты компазициялық материалдардың металдық матрицасы (металдық компазициялық материалдар - МКМ) немесе полимерлік матрицасы (полимерлік компацициялық материалдар - ПКМ) болады. ДКМ-ге қарағанда талшықты материалдарда негізгі қиындық талшықтарға түседі, нәтижесінде ТКМ беріктігі алдымен талшық беріктігіне қатысты болады.
ТКМ-дегі матрица талшықтарды белгілі бір формадағы біртекті денеге цементтейді, механикалық әсер етуден және тотығудан қорғайды. Мұндай матрица беріктікке беріліп, жүруші қабілеттіліктегі орта болады. Мұндай қасиеттерді қанағаттандыратын металдарға магний, алюминий, титан, мыс, никель және кобальт, сонымен қатар кейбір балқымалар жатады.
Беріктеуші талшықтарды таңдауда матрицадағы талшықтар бағдары мен геометриясын, талшықтар мен матрицалардың жылулық кеңею коэффициентін есепке алу қажет. Талшық матрицасында химиялық тұрақтылық, жоғарғы балқу температурасы, аз тығыздығы мен жұмысшы температуралық интерференциядағы жоғары беріктігі, матрица материалында аз ерігіштігі болуы керек. Бұйымды өндіру және экплуатациялау процесінде материал токсикалық болмауы керек.
Талшық материалы ретінде металдық сым, металдың жіпше кристалдары, кремний, бор, көмір, карбидтерінің, кварцтың, оксидтің талшықтары қолданылады. Қалайы мен балқыма металдардан талшықты беріктеуші фаза ретінде сымдарды, сонымен қатар металдық сымдардан дайындалған металдар қолданылады. Әдетте талшық диаметрі 10-нан 2000 кмк-ге, ал ұзындығы 2-3мм-ге жетеді.
Араластыру, яғни тепе-тең бөлшектенген компаненттері бар біртекті қоспаны алу маңызды операция болып табылады.
Құраушы компаненттерді тепе-теңді бөлшектеуге химиялық қосылыстар ерітінділерден матрицалық материалдар талшықтарының үстіңгі бетінде тұнбалау әдісі арқылы химиялық араластыру арқылы қол жетеді.
Механикалық және химиялық араластырудан соң қоспаны ауада 100-110ºС температурада, ал тотықтыру мүмкін жоғарыда қорғаушы ортада жеңіл кептіреді.
Матрицада жоғарғы берікті және жоғары модульді талшықтардың қайталанатын геометриясын тепе-тең бөлшектеу МКМ-нің артықшылығы болып табылады. Негізгі күштер бағдарланған талшықтардың орналасуы. Оптимальді бағдарлау болып саналады. Егер көптеген талшықтар, мысалы 450 бұрышта орналасса, онда беріктеу тек талшықты максималды беріктеудің 75-80% -іне жетеді. Сондықтан МКМ-ны құруда дайын бұйымдарды дайындау технологияларына көп көңіл бөледі.
Бір бағытты талшықты құрылым экструзия процесі арқылы ғаа алынады. Экструзияда қоспаны белгілі бір профельді матрица арқылы мыжу арқылы труба және т.б. дайындықтарын алады.
МКМ-ны дайындау талшықтардың бәрін байланысып жеткілікті қамтамасыз ететін оптималды температуралық уақытша режимдерде қорғаныс ортда дайындықты күйдірумен аяқталады.
Күйдіру температурасы әдетте матрицалық материал негізінің 0,7-0,8 Тбал (балқу температурасы) құрайды.
ВКМ-дерден алюминий және олардың балқымаларының негізіндегі матрицалар кеңінен қолданылады. Бұл алюминийдің арзан бағасымен, қолжетімділігімен және техникада алюминийлік балқымалардың кеңінен таралуымен, олардың механикалық қасиеттерінің әртүрлілігімен түсіндіріледі. Беріктеуші фаза ретінде фаза ретінде қалайфнфң, молибденнің, вольфрамның, борсықтың (SiC құйылған бор талшықтары) кремний карбидінің, көмірдің, алюминий оксидінің, сонымен қатар шыны және кварц талшықтары қолданылады.
Жартылай фабрикаттар мен бұйымдарды дайындауда ыстық престеу, балқыма құю, плазмалық тозаңдау, экструдтау және т.б. қолданылады.
МКМ Al-B жоғары беріктілік пен аз тығыздықты қаттылықты үйлестіреді, жоғары электр және жылу өткізгіштігі, пластикалылығы абразивті тұрақтылығы және тұтқырлығы бар. Оларға жабындылар оңай төселеді, олар термиялық өңдеуге оңай беріледі, жанғыш емес, ылғалды тұрақты. Бұл КМ құрылымдары температуралардың кең диапазонында жұмыс істей алады.
Бұл талшықтары жоғары беріктілігі мен қаттылығымен ерекшелене отырып, жоғары температураларда алюминиймен әрекеттеседі, ал КМ қасиеттеріне кері әсер етеді. әсер етуді кеміту үшін бор талшықтары барьерлі жабындылармен, яғни кремний карбидімен немесе бор нитридімен жабылады.
Механикалық қасиеттері беріктеуші фаза мен матрицаның қасиетіне, олардың салыстырмалы құрылымына, талшықтар диаметріне, сонымен қатар дайындау шарттарына байланысты болады. Осылайша, онда престеуде талшықтар беріктігі 15%-ға, ал оргонда 13%-ға төмендейді. Төзімділік шектігі бар талшықтарына байланысты болады және 250ºС өзінде бөлме температурасындағы стандартты балқымалардың төзімділік шектіктерін арттырады.
КМ Al-B беріктігі жағынан алюминий мен оның балқымаларынан асып түседі. Осылайша, егер алюминийді соғуда беріктігі 70-140 болса, онда құрамында 20-50% талшықтар болғандығы. КМ Al-B-ның беріктігі 500-600 және 1100-1400 Мпа-ға тең болады. КМ-дан Al-B негізінде жапырақшалар, плиталар, трубалар, бұрыштар мен басқа да профильді бұйымдар дайындалады.
Талшықтарды байланыстырғыш ретінде полимерлік матрицаларды қолданғанда, КМ-ді армирленген деп атайды және ПКМ деп белгілейді. Олар төмен тығыздықпен, жоғары меншікті беріктілікпен және қаттылықпен, химиялық және радиациялық тұрақтылықпен, температураның кеңейтілген интервалында тұрақты электр қасиеттерімен сипатталады.
Полимерлік негіздегі компазициялық материалдарды ионизациялаушы сәулелерге қарсы қорғаныс конструкцияларында кеңінен қолданады.
Бұл жағдайда негізі ретінде смолаларды, ал толықтырғыцш ретінде қорғаныс ұнтақтарын, қорғасын, вольфрам, молибден оксидтерін қолданады. Бұл топтың материалдары АЭС персоналына қызмет етуші мекемені қатты монолитті қорғау үшін қолданады. Олар сонымен қатар қорғаныс конструкцияларын жөндеуде қайта құру материалдары ретінде қолданылады. Толықтырғыш ретінде бұл жағдайда қорғасын, қорғасын-мыс балқымалары, эпоксидті-қорғасын пастасы қолданылады.
Иілімді қорғануды дайындау кезінде, мысалы радиацияға қарсы комбинизондарды дайындауда, иілгіш қорғаушы материалдар – қорғасындалған шыны мата, резеңке қолданады. Қанағаттандырарлық радиациялық тұрақтылық құрамында сутегі мен ұнтақ тәрізді борлы резеңке қамтамассыз етед. Мұндай үйлесім нейтронды қорғауда эффективті және 90ºС-ға дейін температураға ұзақ төзімді. Қорғауға арналған арнайы киімді дайындау үшін қолданылатын резинаның кемшілігі жылдам ескіру (жарылу) және төмен санитарлы-гигиеналық сапа болып табылады.
Иондаушы бөлшектерді баяулату және дайындау үшін ең Эффективті материал полиэтилен болып табылады. Ол жылулық нейтрондар ағымы (полиэтиленде ол 0,029, ал резинада – 0,017 см2/г, эпоксидті смолада – 0,025 см2/г тең) қосып алады және ядролық өзара әрекеттесудәң екіншілік өнімінің минималды шығымын береді. Құрамында 70% -ға дейін ВаС бар полиэтилен негізіндегі материалдар кең қолданыс табуда. Оның төмен төзімділігіне байланысты ол көптеп қолданылады.
7.2. Компазиционды материалдар классификациясы
Компазиционды деп келесі белгілері бар материалдар аталады:
1) материалдың құрамы, пішіні және компаненттердің таралуы алдын-ала жобалануы керек;
2) материал табиғатта кездеспейді, ол қолдан жасалған болып табылады;
3) материал химиялық құрамы ерекшеленетін және материалда анық шекарамен бөлінген екі немесе одан да көп компаненттерден тұрады;
4) материал құрамына кіретін айтарлықтай мөлшердегі (кейбірі аса көп мөлшерде) компаненттердің әр қайсысымен анықталады;
5) материал оның бөлектеп алынған компаненттерінде болмайтын эксплуатациялық қасиеттерімен бай.
Көп жағдайда компазиция компаненттері геометриялық белгілері бойынша ажыратылады:мысалы, компаненттердің бірі компазицияның барлық көлемі бойынша үзілмейтін болуы мүмкін. Бұл жағдайда үзілмейтін компанент матрицалы деп аталады; компазиционды материал көлеміндегі бөлшектелген үзілгіш компанент армирлеуші деп аталады.
Компазиционды материалдар үшін келесі классификациялық белгілер таңдалды:
А) компаненттер геометриясы;
Б) компаненттердің орналасуы (армирлену сызбасы);
В) компаненттер табиғаты.
1. Барлық үш өлшемі бірдей және минимальді реттегі нөл өлшемді компаненттері бар компазициялық материал. Бұл топтың компазициясының мысалы болып дисперсті тығыздалған материал, армирленген металдар және құймалар, құрамында қысқа бөлшегі бар керамика негізіндегі материалдар қызмет атқарады.
2. Өлшемнің біреуі екеуінен және компазицияның элементарлы үлгі өлшеміне тән өлшемнен айтарлықтай артық бірыңғай компаненттер бар компазиционды материал.
3. Екі өлшемі үшіншісінен айтарлықтай артық және компазиционды материалға тән элементарлы өлшемімен бірдей екі өлшемді, компаненті бар компазиционды материал. Бұл топ материалына мысал, тұзды материалдар, кезектесетін титан және алюминий немесе құймалар қабаттардан тұратын компазициялар бола алады.
Б. Белгі. Компаненттердің орналасуы бойынша компазиционды материалдар да үш топқа бөлінуі мүмкін:
1) құрамына талшық, сым немесе жіп тәрізді кристалдардың бағытталған тізбегі түрінде кіретін армирлеуші компаненті бірөсті (сызықты) орналасқан компазициялар матрицада бір-біріне параллельді тарайды.
2) құрамына талшық, қаңылтыр, жіп тәрізді кристалдардан тұратын армирлеуші компаненті екі өсті орналасқан компазиционды материалдар матрицада екі жазықтық бір-біріне қарама-қарсы орналасқан. Мұндай армирлеу сызбасы бірөлшемді және екі өлшемді компаненттер көмегімен жүзеге асырылуы мүмкін. Нөл өлшемді компаненті бар армирлеудің екі өсті сызбасы материалда армирлеуші компаненті болады.
3) компаненттердің орналасуы үшөсті (көлемді) орналасқан компазициялық метериалдарды материалда бір немесе екі бағытталуды анықтау мүмкін болмағанда пайда болады.
В. Белгі. Компазициялық материалдар табиғаты жағынан төрт топқа бөлінеді: 1) металдардан және құймалардан тұратын компанент; 2) бейметал элементтерден (мысалы, көміртегі) тұратын компанент;3) бейорганикалық қосылыстардан (оксидтер, карбидтер, нитриттер және т.б.) тұратын компанет; 4) органикалық қосылыстардан тұратын компанент.
Компазициялық материалды толық сипаттау үшін оның әр компанентінің табиғатын көрсету керек. Мысалы, компазициялық материал көміртегі-көміртегі матрица табиғаты бойынша метал элементтерден тұратын матрицасы бар компазициялық топқа, ал армирлеуші компанент табиғаты бойынша – екінші компаненті бейметал элементтерден тұратын компазициялық топқа жатады. Көмірпластиктер матрицасының табиғаты бойынша органикалық қосылыстан тұратын матрицасы бар компазициялық топқа, армирлеуші компанентінің табиғаты бойынша – екінші компаненті бейметалл элементтерден тұратын топқа жатады.
Қарастырылатын топтарға полиматрицалы және полиармирлеуші компазициялық материалдар болып табылады.
Полиматрицалық КМ алмасатын екі немесе одан да көп әртүрлі химиялық құрамдағы матрицасы бар компазициялардың алмасқан түрінен тұрады. Полиармирлеуші КМ салыстырмалы түрде бір-біріне матрицада қарама-қарсы біркелкі таралған екі немесе бірнеше құрамы әртүрлі армирлеуші компаненттерден тұрады. Полиармирлі КМ табиғаты әртүрлі армирлеуші компаненттерден тұруы мүмкін. Комбинирлілер әр түрлі табиғаты және өлшемдегі армирлеуші компаненттерден тұрады.
Мысалы, шыны-көмірпластик қарапайым полимирлеуші компазициялық материал, ал боралюминий титанды қаңылтырмен – комбинирленген полиармирлеуші болып табылады. Комбинирленген КМ бір табиғаттағы (мысалы, алюминий негізіндегі компазиция) армирлеуші компаненттен тұрса, полиармирліге жатпайды.
Наноматериалдарды кейбір компазиттерге енгізу иімділік пен қаттылық коэффициентін екі есеге дейін жоғарлатуға, созылу және тұтқырлық беріктігін 50% үлкейтуге, және де олардың әртүрлі сұйықтық заттардың өтуін 10 рет төмендетуге мүмкіндік береді. Гибридті материалда қатты және иілімді полимердің жұқа қабатшаларының алмасып орналасуы жеке қорғаныс үшін өте жеңіл және мөлдір қалқан жасауға мүмкіндік береді. Толтырушы ретінде нанотүтікшелерді ендіру кейбір компазициялық материалдарға электрөткізгіштік және кейбір маңызды қасиеттер береді.
Көміртекті нанотүтікшелер қосылған компазициялар созылу кезінде оның негізінде жаңа сапалы, жоғары берік және өте жеңіл құрастырушы материалдар жасауға мүмкіндік береді.
Көпфункционалды полимерлі материалдар ракеталық двигательдер, кеңістікте айналатын және динамикалық конструкциялар дайындау кезінде және де стандартты құрал-жабдықтарды (мыс, резервуар, шина және т.б.) өндіруде қолданылуы мүмкін.
Әскери істе наноматериалдар «Стеле» көрінбейтін – тікұшақтарда радиация жұтылу қабат ретінде жаңа жарылғыш заттарда қолданылады. «Графитті бомбада» қарсыластың энергожүйесін істен шығаратын көміртекті наноталшықтар қолданылады.
Әрине өте жеңіл және берік материалдарды өндіру әртүрлі типтегі қару-жарақтардың эффективті түрлердің дамуына ықпал тигізеді. Баллистикалық ракеталар, тікұшақтар мен әртүрлі ұшатын аппараттар үшін жеңіл және берік наноматериалдарды қолдану жылдамдық пен ұшу ұзақтығын көтеру, ал ауыртпалықтың көтерілуі және өлшем мен құрылғының барлық массасының төмендеуі болып табылады.
Наноталшықты компазиция бері келе құрастырушы материал ретінде дүмі, оқ-дәрі және басқа да атқыш және жеңіл қаруда қолданылатын құрышты ығыстыруы мүмкін деп болжануда. Келешекте бұл атқыш қарудың кез келген типінде металдың және оқта аур металдардың (қорғасын тәрізді) қолдануын мүлдем арылуға мүмкіндік береді. ....