CC BY
3
УДК 621.763
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-449-450
АНАЛИЗ СВОЙСТВ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИННОВАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
П.А. Королев, Е.Н. Хозина, А.Э. Машуров, О.С. Журавлева
В статье систематизирован материал о новейших отечественных и зарубежных разработках в области материаловедения и исследованиях инновационных материалов. Показана история развития исследований, отражены основные преимущества и недостатки и проведена оценка свойств и возможностей применения трех видов инновационных материалов: аэрогелей, метаматериалов и графена.
Ключевые слова: инновационные материалы, графен, метаматериалы, аэрогель, уникальные свойства материалов.
Развитие современных высокотехнологичных отраслей промышленности, соответствующих Четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0), предполагает разработку и внедрение новых технологий и инновационных материалов, способных обеспечивать выполнение специализированных задач в определенных эксплуатационных условиях, в которых использование привычных традиционных материалов и технологий невозможно. Такие материалы должны обладать уникальными свойствами, которых нет у уже существующих материалов, например, возможностью выдерживать очень низкие или очень высокие температуры, обладать повышенными антикоррозионными характеристиками, обеспечивать процессы самовосстановления и самоочищения, быть экологичными и износостойкими при функционировании в особых условиях.
В данной работе систематизирован материал о новейших отечественных и зарубежных разработках в области материаловедения и исследованиях инновационных материалов.
К уникальным инновационным материалам можно отнести так называемые метаматериалы (приставка «мета» (с греч. ^ета- «между, после, через») в данном случае применяется для обозначения того, что свойства рассматриваемых материалов не встречаются в природе. Таким образом, это искусственно созданные композиционные материалы. Их главной отличительной чертой является необычная микроструктура: именно благодаря ей, а не химическому составу материала, метаматериалы могут манипулировать электромагнитными и звуковыми волнами, а также другими видами волн. На рис. 1 представлены фотографии различных видов микроструктур метаматериалов, приведенные в работах профессора Дениса Кохманна (кафедра «Машиностроение и технологические процессы», Цюрих, Швейцария) [1, 2]. Основные свойства и характеристики метаматериалов приведены в табл. 1.
Рис. 1. Микроструктура различных метаматериалов [1,2]
Таблица 1
Свойства метаматериалов и области их применения_
№ п. п. Свойство Области применения
Отрицательный показатель преломления (обратный эффект Доплера): материал может преломлять свет иначе, чем обычные материалы. Явление обусловлено одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей. Такие материалы также называют бинега-тивными средами (DNG, double Развитие терагерцовой оптики, метеорологии и океанографии, диагностика качества деталей и систем безопасности, медицинские приборы, оптические приборы с разрешающей способностью, превышающей дифракционный предел, СВЧ-устройства, эффективные поглотители электромагнитной энергии, формирование изображений со сверхразрешением, квантовая фотоника, биосенсинг, фотолитография [3, 5, 6]
Управление волнами различной природы (электромагнитные, радиоволны, звуковые, микроволны) Телекоммуникации (изготовление и модернизация антенн), датчики комбинационного рассеяния, электромагнитное и звуковое экранирование (так называемые «невидимые и акустические мантии»), беспроводные зарядные устройства, биомедицинские имплантаты, электромобили
Отрицательный коэффициент Пуассона (ауксетические механические метаматериалы) [7] Биомедицина, автомобильные амортизаторы, поглотители вибраций в зданиях во время землетрясений, клапаны, управляющие течением жидкости [8-11]
Метаматериалы представляют собой одну из самых необычных и перспективных областей материаловедения. Их уникальные свойства открывают новые возможности для научных и технологических инноваций, способных радикально изменить многие аспекты нашей жизни [12].
Следующим революционным инновационным материалом является графен (рис. 2), который представляет собой одноатомный слой углерода, организованный в двумерную гексагональную решетку.
а) б)
Рис. 2. Внешний вид и микроструктура графена: а - неровный лист графена на кремниевой подложке [13]; б - нанохлопья графена под электронным микроскопом [14, 15]
История развития графена довольно интересна, она началась еще в середине прошлого века и продолжается до сих пор [16-18]. Этапы истории развития исследований в этой области представлены на схеме (рис. 3).
Теоретическое исследование графита как двумерной структуры
Изучение электропроводности графитовых слоев
Р-
Филипп Уоллес
Получение Нобелевской премии по физике за экспериментальное исследование графена
Уотсон, Kapp
Публикация работ об электрической проводимости и необычных квантовых эффектах графена
-<f^005-2006r. ~j-
Андрей Гейм и Константин Новоселов
Открытие сверхпроводимости в скрученном графене
Андрей Гейм и Константин Новоселов
Построение полной классификации возможных типов примесей е
V графене*. р-
Пабло Харильо-Эрреро
Первое упоминание о графене. Исследование электронных свойств графена
1994 г.
Питер Ландсберг
Изолирование графена методом механического отшелушивания
н-4
Андрей Гейм и Константин Новоселов
Создание первого функц ионального полупроводника из графена
январь 2024 г
Павел Островский
* сформирована группа проектов
Graphem Technology Group (Россия)
Уолтер де Хир, Лей Ма
Исследование новых методов
синтеза графена и его интеграции в сложные системы. Извлечение графеноподобных материалов (борофен, силицен и др.)
Создание биосенсоров на основе графена
<
июнь 2024 г.
Владимир Андрющенко
Рис. 3. Схема эволюции исследований графена
Рассмотрим уникальные свойства этого материала. Главными из них являются экстремальная прочность (в 200 раз прочнее стали) и высокая электрическая проводимость. Кроме того, графен обладает рекордной теплопроводностью (до 5,000 Вт/(мК)), прозрачностью (до 97%, поглощает всего около 2,3% видимого света), высокой степенью
450
гибкости и упругости, химической и термической стабильностью, легкостью (его плотность составляет 0,77 мг/м2) и минимальной толщиной по сравнению со всеми известными в мире материалами (в 300 тыс. раз тоньше листа бумаги) [19-21].
Современные сферы применения графена [20] показаны на рис. 4.
Однако следует заметить, что графен имеет очень серьезные недостатки, препятствующие его широкому применению в промышленности, а именно: огромная стоимость (1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.) и отсутствие технологий его массового производства (в настоящее время сложные электронные устройства с графеном изготавливают вручную).
Рис. 4. Современные области применения графена
Графен продолжает быть объектом интенсивных исследований, и его потенциал для применения в различных отраслях промышленности практически неограничен. При устранении указанных выше недостатков в будущем основными областями применения графена могут стать: электроника (транзисторы, сенсоры), энергетика (батареи, суперконденсаторы), медицина (биосенсоры), изготовление композиционных материалов с заданными и с изменяемыми под воздействием внешних факторов свойствами, спинтроника (создание более энергоэффективных и мощных процессоров), мембраны для опреснения воды и фильтрации загрязнений.
Представляет интерес еще один необычный материал, известный своей невероятно низкой плотностью и уникальными физическими свойствами. Это класс аэрогелей (рис. 5), которые имеют пористую древовидную структуру в виде сферических кластеров, образованных наночастицами размером 2-5 нм и порами размером до 100 нм, на 99,8% заполненную газом (чаще всего воздухом) [10, 22, 23]. Обычно аэрогели производятся на основе кремния.
Основные свойства аэрогелей [24] приведены в табл. 2.
Среди основных недостатков аэрогелей следует выделить его хрупкость (чрезмерно малую пластичность) и очень высокую стоимость ($1000 за 1 см3).
а) б)
Рис. 5. Внешний вид и внутренняя микроструктура аэрогелей: а - аэрогель из диоксида кремния [10]; б - микрофотография композитного аэрогеля 5%07пО/ТО2 [25]
Таблица 2
Свойства аэрогелей и области их применения_
№ п. п. Свойство Области применения
Пористая структура (поры нанометрового размера) В качестве теплоизоляторов, звукоизоляторов и шумоизоляторов в космических аппаратах, промышленных трубах, зданиях и одежде для экстремальных условий, холодильники и морозильные камеры, строительство
Очень низкая плотность (1-3 мг/см3), отношение площади полной поверхности к весу до 3200 м2/г Энергетика (производство суперконденсаторов и аккумуляторов), медицина и фармацевтика, биология, для изготовления легких структурных материалов и одежды
Очень низкая теплопроводность (0,013 - 0,016 Вт/(м-К)) Высокоэффективные утеплители
Низкий коэффициент преломления света (до Оптика (детекторы частиц и телескопы), военные технологии, солнечная энергетика
Электрическая проводимость может меняться в широких пределах в зависимости от используемого материала Суперконденсаторы, батареи и фильтры, в многослойных печатных платах в качестве изоляционного слоя
Высокая адсорбционная и абсорбционная способность Очистка разливов нефти, охрана окружающей среды, космическая промышленность, лакокрасочная продукция, борьба с вредоносными микроорганизмами
Огнеупорность Военные технологии, спецодежда для пожаротушения и средство увеличения пожарной безопасности зданий и сооружений
Аэрогели обладают большим спектром особых полезных свойств, что при минимизации их недостатков может позволить им стать серьезными конкурентами существующим традиционным материалам.
Объем статьи не позволяет описать все многообразие инновационных материалов, однако следует понимать, что их уже достаточно много, и развитие материаловедения продолжается в направлении создания и получения все новых материалов с уникальными свойствами. При этом подключаются цифровые технологии моделирования и машинного обучения, что позволяет повысить эффективность разработок. В настоящее время многие промышленные компании и научные организации работают над использованием инновационных материалов в различных высокотехнологичных и перспективных областях науки и техники.
Список литературы
1. Michael Walther. The power inside. [Электронный ресурс] URL: https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/the-power-inside.html (дата обращения: 12.07.2024).
2. Dennis Kochmann. [Электронный ресурс] URL: https://www.researchgate.net/profile/Dennis-Kochmann (дата обращения: 12.07.2024).
3. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2009, № 7. С. 70-79.
4. Баклицкая О. Обратный эффект Доплера стал видимым // Наука и жизнь. Новости науки и техники. [Электронный ресурс] URL: https://www.nkj.ru/news/19369 (дата обращения: 12.07.2024).
5. Материалы с отрицательным показателем преломления // Лазерный Портал. [Электронный ресурс] URL: https://laser-portal.ru/content 139 (дата обращения: 10.07.2024).
6. What are metamaterials? What are the types and applications? Shanghai Yingsheng Electronic Technology Co. [Электронный ресурс] URL: https://www.accscicn.com/en/insight/what-are-metamaterials (дата обращения: 10.07.2024).
7. Скрипняк В.В., Чирков М.О., Скрипняк В.А. Моделирование механической реакции ауксетических ме-таматериалов на динамические воздействия // Вестник ПНИПУ. Механика. 2021, № 2. С. 144-152.
8. Львов В.А. Структура и физико-механические свойства биомедицинских метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: 2022. 34 с.
9. Aleksi Bossart, David M. J. Dykstra, Jop van der Laan, and Corentin Coulais. Oligomodal metamaterials with multifunctional mechanics // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2021, Vol. 118, № 21. [Электронный ресурс] URL: https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2018610118 (дата обращения: 10.07.2024).
10. Новые материалы в промышленности // Агентство промышленного развития Москвы. М., 2020.
92 с.
11. Белов П.А. Метаматериалы: принципы построения и свойства. Москва: Физматлит, 2018.
12. Лагарьков А.Н., Кисель В.Н. Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективы применения // Энергия: экономика, техника, экология. 2018, № 1. С. 10-20.
13. Мещеринов В. Революция в плоскости. Электронный ресурс. [Электронный ресурс] URL: https://zanauku.mipt.ru/2018/12/12/revolyutsiya-v-ploskosti (дата обращения: 09.07.2024).
14. Maido Merisalu / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0.
15. Чудесный материал графен // Наука и жизнь. 2022, № 10. [Электронный ресурс] URL: https: //www.nkj .ru/archive/articles/46464/ (дата обращения: 10.07.2024).
16. Гейм Дж. Графен: новый материал XXI века. Москва: Издательство Наука. 2015.
17. Горелов Д.М. Графен и его свойства // Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета,
2018.
18. Andryushchenko V., Sorokin D, Morozova M., Solnyshkina O., Smovzh D. Graphene-polymer composite conductivity in air and water // Applied Surface Science. 2021, Volume 567. P. 150843.
19. Чистякова E. Магический трехслойный графен преодолел предел Паули и вернул сверхпроводимость. [Электронный ресурс] URL: https://nplus1.ru/news/2021/07/22/three-graphen-pauli (дата обращения: 10.07.2024).
20. Уникальное вещество и его применения. [Электронный ресурс] URL: https://www.kommersant.ru/doc/4501946 (дата обращения: 09.07.2024).
21. Как физики обнаружили графен и почему его свойства привлекли так много внимания? [Электронный ресурс] URL: https://spb.hse.ru/news/793883003.html (дата обращения: 10.07.2024).
22. Агеева Е.Н. Аэрогели на основе оксида кремния. Москва: Физматгиз, 2010. 150 с.
23. Василевский К.П. Наноструктурированные материалы: аэрогели. Москва: Наука, 2008. 180 с.
24. Болдырев В.В. Аэрогели: свойства и применение. Санкт-Петербург: Химия, 2005. 220 c.
25. Kolen'ko Yu.V., Garshev A.V., Churagulov B.R., Boujday S., Portes P., Colbeau-Justin C. Photocatalytic activity of sol-gel derived titania converted into nanocrystalline powders by supercritical drying. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 2005. V. 172. P. 19-26.
Королев Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, korolev-pa@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Хозина Елена Николаевна, канд. техн. наук, доцент, khozina-en@rsuk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Машуров Александр Эдуардович, студент, mashurov_ss@mail. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Журавлева Ольга Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, zhuravleva-os@rsuk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина
ANALYSIS OF PROPERTIES AND APPLICATION POSSIBILITIES OF MODERN INNOVATIVE MATERIALS P.A. Korolev, E.N. Khozina, A.E. Mashurov, O.S. Zhuravleva
The article systematizes the material on the latest Russian and foreign developments in the field ofmaterials science and research of innovative materials. The history of research development is shown, the main advantages and disadvantages are reflected, and the properties and application possibilities of three types of innovative materials are evaluated: aerogels, metamaterials and graphene.
Key words: innovative materials, graphene, metamaterials, aerogel, unique properties of materials.
Korolev Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, korolev-pa@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia,
Khozina Elena Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, khozina-en@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia,
Mashurov Alexandr Eduardovich, student, mashurov_ss@mail. ru, Russia, Moscow, The Kosygin State University
of Russia,
Zhuravleva Olga Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, zhuravleva-os@rguk. ru, Russia, Moscow, The Kosygin State University of Russia
УДК 62-932.2
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-453-454
ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ШЛИФОВАНИЯ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ
И.С. Максимов, С.А. Галанский, В.Г. Рахчеев
В статье представлены технологические особенности шлифования рельсов железнодорожного пути мобильными шлифовальными станками. Результаты исследования рабочей поверхности шлифовального круга 14АЕ36Р6Б, получены при торцевом шлифовании, дифференцированно термоупрочнённых рельсов ДТ350 стали Э76ХФ. Существенной новизной рассматриваемых технологических особенностей является то, что анализируются усилия и силы резания при шлифовании фасонного профиля головки железнодорожных рельсов. Определено влияние угла е на величину износа абразивных зерен нормального электрокорунда. На основе анализа механизма износа шлифовальных кругов на бакелитовой связке, обобщены теоретические и экспериментальные данные по износу шлифовального круга с учетом явлений скалывания абразивных зерен и разрушения бакелитовой связки.
Ключевые слова: железнодорожный путь, шлифование рельсов, абразивный круг, износ абразивных зерен, процесс разрушения шлифовального круга, износ круга.
Качество применяемых рельсов во многом определяет надёжность и долговечность железнодорожного пути. Одной из главных составляющих качества рельсов является состояние его поверхности катания (геометрические, прочностные).
Основной технологической операцией, при которой формируется высокие эксплуатационные характеристики рельсов, является шлифование. Шлифование при текущем содержании в пути производится рельсошлифоваль-ным поездами (РШП-48) и станками (СЧРА, СШГР, МС-3, ШС-2152, МПШ) [1, 2].
Эффективность проведения процесса шлифования зависит от применяемых шлифовальных кругов и схем шлифования, одна из которых показана на рисунке 1. Требования к процессу шлифования заключается в том, чтобы абразивные круги имели наименьший износ и обеспечивали наибольшую производительность процесса шлифования. При шлифовании рельсов используются различные по характеристикам абразивные круги, которые в процессе обработки располагаются под различными углами к обрабатываемой поверхности катания головки рельсов.
При неоптимальном расположении абразивного круга относительно обрабатываемой поверхности не обеспечивается его равномерный износ. Это приводит к неравномерному удалению слоя металла с головки рельсов и искажению её профиля. [3, 4, 5, 6].
Исследования технологических особенностей механизма износа инструмента при шлифовании рельсов показали, что процесс разрушения зёрен и связки абразивного круга носит сложный характер.
Новизной рассматриваемых технологических особенностей является то, что анализируются усилия и силы резания при шлифовании фасонного профиля головки железнодорожных рельсов [7]. Данный профиль состоит из сопряжений трех радиусов и поэтому изменяется схема шлифования, приводящая к изменению усилий и сил микрорезания.
