ОТЧЕТ О ПРОВЕДЕНИИ НАУЧНОГО МЕРОПРИЯТИЯ

Нанотехнологии в автомобильной промышленности

Учащийся Павлючик Иван
Группа 205 «Автомеханик»
Руководитель: мастер п/о Буркивченко Н.Н.

Нанотехнологии в автомобильной промышленности

Нанотехнологии будут играть одну из основных ролей в автомобильном производстве, но в ближайшее время даже и не надейтесь увидеть что-нибудь похожее на футуристический концепт-кар Volkswagen Nanospyder. Эта модель - результат отдельного задания, поставленного перед дизайнерами в начале 2006 года, в Лос-Анджелесе. Водородные топливные элементы, солнечная энергия, колесные электродвигатели и органические надувные панелей кузова в совокупности образуют необычную форму двухместного концепт-кара.

По словам создателей этой чудо-машины (дизайнеры из Volkswagen Design Center в Санта-Монике) Nanospyder будет состоять из решетки, включающей миллиарды крошечных программируемых устройств с наноразмером меньше половины миллиметра в диаметре. Каждое из этих крошечных устройств можно будет запрограммировать "быть сильным" или "слабым", в зависимости от необходимого значения активной зоны деформации, которое может возникнуть. Покрытие нано-решетки панелей состоит из смеси органических материалов. Для получения дополнительной амортизации при внешнем воздействии их можно "надуть". Материал является источником энергии и как полисинтезис - генерирует небольшое количество электроэнергии. Все это в сочетании с водородным топливом дает энергию, которая необходима для работы крошечных электрических моторов, установленных в центрах всех четырех колес.

Автомобильный сектор - это основной потребитель материальных технологий - и нанотехнологии позволяют значительно повысить эффективность уже существующих наработок. Область их применения колеблется от уже существующих: качество краски, топливные элементы, аккумуляторы, износостойкие шины, легкие и более прочные материалы, ультра-тонкие антибликовые нанопокрытия для стекла и зеркал, до футуристических: сбор энергии кузова, саморемонт, меняющийся цвет и форма покрытий.

Основные области применения нанотехнологий в автоиндустрии:

- Легковесные, но прочные материалы (для уменьшения топлива и повышенная безопасности).
- Повышение эффективности двигателя и расхода топлива для авт омобилей с бензиновым двигателем (катализаторы, топливные добавки, нано присадки, смазочные материалы).
- Уменьшение вредного воздействия автомобилей на окружающую среду (водородные батареи).
- Улучшение и миниатюризация электронных систем.
- Значительная экономия (срок службы, низкий уровень поломок механизмов; "умные" материалы для самостоятельного ремонта)

Ходовая часть и лакокрасочные поверхности автомобиля

Уменьшение веса (как следствие - экономия топлива) автомобиля является одной из основных стратегии производителей автомобилей. Специалисты из фордовской команды "Атом для двигателей" обратили внимание на структуру литейных алюминиевых сплавов вблизи атомных уровней. Исследования в данной области ("Детальный анализ структуры/процессов связи алюминиевых сплавов блоков двигателя") позволили уменьшить веса двигателя и, в свою очередь, повысить эффективность использования топлива.

Другая область применения нанотехнологий - замена полимерами окон с минеральным стеклом. Однако, до недавнего времени некоторые основные технические характеристики в данном вопросе были невозможны (устойчивость к царапинам и длительный срок сопротивление ультрафиолетовым лучам). Последние достижения в области нанотехнологий позволяют разработчикам поликарботных оконных стекол решить эти проблемы.

Термопластичные материалы на базе наноразработок позволяют на 40% уменьшить вес узлов ходовой части автомобиля.

Если говорить о лакокрасочной покрытии автомобиля, то уже есть современные нанопокрытия, которые улучшают адгезию краски, защищают и увеличивают "срок службы" лакокрасочных поверхностей авто. В скором времени самоочистка лобового стекла станет стандартной опцией в автомобиле. Устойчивость к царапинам, загрязнениям, ультрфиолету, самоочитка поверхностей авто - это то, что уже реально существует или находятся в стадии разработки.

Автомобильные шины
Шины одни из первых узлов авто в которых стали применяться наноструктурированные материалы. Технический углерод начали использовать в качестве пигмента и укрепляющего элемента автомобильных покрышек.

Основным материалом в шинном производстве является смесь каучука, но требования по ее оптимизации достаточно противоречивы (в виду довольно сложных химических и физических взаимодействия между резиной и материалом-наполнителем). В наше время потребности в хорошем сцеплении и увеличении срока службы шин постоянно возрастают и без нанотехнологий здесь уже не обойтись.

Где-то 30% покрышки составляет армирующий наполнитель, который влияет на такие свойства, как сцепление, износостойкость, устойчивость к начальному износа и т.д. Существуют три продукта (сажа, диоксид кремния и органосилан) которые значительно улучшают свойства натурального каучука. Сейчас ведется производство этих продуктов в наноразмерных формах, а также обеспечивается их кросс-связь с природной молекулой резины, что в сумме очень сильно улучшает характеристики автомобильных шин.

Движущая сила
В строительстве электрических автомобилей берутся во внимание четыре основные момента:

объемный и безопасный способ хранения энергии, чтобы машина могла ехать довольно долго без дозаправки;
двигатели и связанные с ними электронные компоненты, которые наилучшим используют "бортовую" энергию;
легковесные компоненты для компенсации дополнительного веса батарей;
и прочие моменты, которые по цене могут конкурировать с бензиновыми автомобилями.
В наше время во всех электрических транспортных средствах по всему миру применяются ионно-литиевые батареи. Консенсус среди исследователей состоит в том, что основным источником энергии для электромобиля будут ионно-литиевые батареи, но пока точно не известно какую из литий-ионных технологий производства взять за основу.

Нанотехнологии открывают большие перспективы для увеличения производительности и времени жизни литий-ионных батарей. Их применение также рассматривается в вопросах увеличения энергии, мощности, сокращения времени перезарядки, уменьшения размера и веса при одновременном повышении безопасности и стабильности батарей. Большое количество компаний по всему миру активно занимается разработкой нано-батарей в то время как некоторые уже запустили их в производство.

Также нанотехнологии являются ключом к улучшению производительности топливных элементов будущих поколений водородных автомобилей.

Под капотом
Для автомобилей на топливных элементах, водородные датчики будут основным компонентом для обеспечения безопасности. Они смогут выявлять утечки газа задолго до того, как он станет взрывоопасным. Исследователи уже разработали тонкие, гибкие датчики водорода с использованием наноструктурированных материалов (одностенные углеродные нанотрубоки с наночастицами палладия).

Конечно же, переход с нынешних видов топлива, на водород будет происходить постепенно и в будущем повышение эффективности использования топлива, а так же сокращение вредных выбросов выхлопных газов - это две ключевые области в которые нанотехнологии внесут свой весомый вклад.

В современных автомобилях 10-15% расхода топлива приходится на трение в двигателе (потери при трении движущихся механических частей: поршень, коленчатый привод, привод клапана). Нанопокрытия для механических узлов и агрегатов, и наноструктурные смазочные материалы уменьшают трение и износ, тем самым уменьшая расход топлива.

Еще один пример из вышеупомянутого проекта Форда "Атом для двигателей" - разработка термически распыленного нанопокрытия, которое могло бы заменить тяжелые чугунные вкладыши, обеспечивающие необходимую износостойкость цилиндров в двигателях с алюминиевыми блоками. Это тонкое износостойкое нанопокрытие снижает вес и уменьшает трение, не теряя при этом в показателях прочности и надежности.

Технология пьезо-впрыска топлива в настоящее время используется не только в дизельных, а и в бензиновых двигателях. В случае прямого впрыска, насос перед тем, как впрыскивать через форсунку топливо в камеру сгорания цилиндра, сперва создает высокое давление. Точность, с которой все происходит непосредственно влияет на процесс горения. Давление, объем топлива и время впрыска можно контролировать, что существенно отражается на эффективности сгорания топлива. Нанокристаллические пьезоэлектрических материалы значительно улучшают уже существующие пьезоэлектрические наработки.

Система очистки выхлопных газов в бензиновых автомобилях основана на использовании трех катализаторов. Эти материалы могут преобразовывать основные загрязняющих вещества (окись углерода, окислы азота, углеводороды) и тем самым устранять их из выхлопных газов. Нанотехнологии играют основную роль в процессе преобразования токсичных газов в нетоксичные. Действие катализаторов в основном зависит от размера поверхности.

Если используемый для каталитической функций материал масштабируется в нанометровом диапазоне, то это значительно увеличивает площадь поверхности. Состав и структура выбраны так, что выхлопные газы оптимально взаимодействуют с каталитически активными покрытиями и быстро очищаются от вредных веществ.

Салон автомобиля
Средства по уходу за салоном авто в основном затрагивают вопросы комфорта: грязеотталкивающие и антимикробные текстильные изделия и поверхностей, воздушные нано-фильтры, антибликовые покрытия зеркал и инструментов. А как на счет климат-контроля сидений на основе термоэлектрики? Материалы, преобразующие электроэнергию непосредственно на нагрев или охлаждение.
Электрические системы и электроника
Электроника - это "двигатель инноваций" в автомобильном секторе, поскольку в настоящее время все больше компонентов управляется электроникой с помощью электромеханики или электромагнитов. Введение наноразмерных магнитных материалов позволит воплотить в реальность производство приборов с гораздо меньшими расходами энергии (энергонезависимая электроника).

Быстро растущий сектор гибридных автомобилей использует батареи для хранения энергии, которая нужна для езды авто. Во время движения с помощью генератора энергия преобразуется в электрический ток и, после остановки автомобиля, хранится в аккумуляторах, или супер-конденсаторах. Как ожидается, нанотехнологии внесут большой вклад в область разработки ультра-легких, гибких, тонких батарей и конденсаторов, толщиной не более обычной газеты.
Микроструктурированные солнечные элементы уже могут устанавливаться в люки и предлагаться в качестве опции на некоторых автомобилях. Использование гибких наноструктурных пластиковых солнечных элементов с толщиной менее 1 мкм, даст возможность покрыть внешнюю поверхность автомобиля эноргопоглощающей пленкой.

NanoMobil
В 2004 году в Германии, через Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) создали специальную программу (NanoMobil). Она предполагает отдельное финансирование области нанотехнологий. Это необходимо для того, чтобы повысить конкурентоспособность немецкой автомобильной промышленности. Многочисленные научно-исследовательские институты и автомобильные компании принимают участие в развитии различных междисциплинарных нано-проектов.

Спасибо за внимание