Co to jest nano?
Projektowanie, tworzenie oraz użytkowanie materiałów mających przynajmniej 1 wymiar, którego jednostka miary jest nanometr. Materiały o takiej strukturze można tak zaprojektować, aby wykazywały pożądane właściwości fizyczne, chemiczne lub biologiczne dzięki ograniczonej wielkości tworzących je cząstek. Materiał w skali 1 – 100 nm, może wykazywać właściwości znacznie odbiegające od właściwości pojedynczych atomów oraz typowych kryształów. To sprawia, ze nanotechnologia umożliwia tworzenie materiałów o niespotykanych wcześniej właściwościach.
Zastosowanie nanotechnologii w przemyśle lotniczym jest wyraźnie korzystne. Podstawowym zadaniem jest zastosowanie nanomateriałów w miejsce tradycyjnych metali jak stal. Głównym zadaniem jest zmniejszenie masy przy jednoczesnym polepszeniu wielu właściwości materiałów.
Nanostrukturalne metale
Materiały metaliczne z dodatkiem pewnych nanostruktur są już powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym. Obecnie wiadomo, że wykazują znacznie lepsze właściwości w porównaniu z ich odpowiednikami o mikroskali lub o większej strukturze.
Jest to szczególnie widoczne w przypadku właściwości, które są kluczowe dla materiałów stosowanych w samolotach - głównie plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję, w połączeniu z niską gęstością, która pozwalają zachować niską masę całkowitą samolotu.
Nanokompozyty polimerowe
W nanokompozytach polimerowych fazą umacniającą polimerową matrycę są organiczne
i nieorganiczne cząstki o nanometrycznych wymiarach. W wyniku taki materiał odznacza się wyjątkowymi właściwościami, różniącymi się od tradycyjnych kompozytów polimerowych.
Główną wadą tradycyjnych kompozytów jest fakt, że podstawowe właściwości polimerowej osnowy, takie jak zdatność do przeróbki i właściwości mechaniczne ustępują właściwościom fazy umacniającej, dominującym w kompozycie.
W wypadku nanokompozytów osnowa polimerowa zachowuje swoje właściwości w znacznie większym stopniu ponieważ rozkład umacniających nanocząstek jest bardziej jednorodny. Dodatkowo właściwości nanokompozytu mogą być poprawione dzięki możliwości kontrolowania procesu rozmieszczania nanocząstek w osnowie.
Zastosowanie różnych nanomateriałów jako materiały wypełniające pozwala zwiększyć właściwości strukturalne i niestrukturalne polimerów stosowanych w przemyśle lotniczym. Najczęściej stosowane nanomateriały to nanorurki węglowe, nanowłókna i grafen.
Nanorurki węglowe wykazują doskonałe korzyści w przypadku stosowania ich jako dodatek w różnych polimerach, ze względu na ich wyjątkową wytrzymałość, sztywność, właściwości elektryczne, mogą być także używane jako faza umacniająca w kompozytach.
Nanokompozyty zazwyczaj mają wspaniałe stosunek masy do wytrzymałości, zwiększony wskaźnik odporności na wibracje i ogień, co czyni je idealnymi do zastosowania w przemyśle lotniczym.
Nanopowłoki
Nanowarstwy mają nowe właściowści, takie jak: twardość, wytrzymałość, niski
współczynnik tarcia. Nanocząstki środka poślizgowego oraz twarde nanocząstki krystaliczne rozmieszczone są w amorficznej osnowie metalicznej, tworząc twardą, odporną na zużycie ścierne
i kruche pękanie warstwę wierzchnią o dobrych właściwościach poślizgowych.
Powłoki stosowane są w:
Urządzeniach kosmicznych i satelitarnych
MEMS
Łopatki turbin
Żyroskopach
Inne mechaniczne elementy
3-krotnie wydłużając ich czas eksploatacji.
Zastosowanie nanowarstw sprawia, ze układy MEMS mogą pracować w ekstremalnych warunkach, np. w przestrzeni kosmicznej.
Aerożele to lekkie struktury posiadające znakomite właściwości cieplne i izolacyjne. Duża powierzchnia na jednostkę masy aerożeli umożliwia ich zastosowanie wszędzie tam, gdzie wielkość powierzchni odgrywa ważną rolę.
Cechy:
najniższa wartość współczynnika przewodzenia ciepła wśród materiałów stałych (ok 0,014 W/mK),a dla grafenu to ok 5000. Teoretycznie można uznać za doskonały materiał termoizolacyjny.
Średnia Średnica porów wynosi 20-50 nm, wielkość cząsteczek krzemionki to 2-5 nm
Odporny na działanie wody i wilgoci – hydrofobowy
Prędkość fali dźwiękowej to tylko 100m/s
Zastosowanie w samolotach: izolację kadłuba, izolację akustyczną, izolację kadłuba silnika; izolacja cieplna, izolacja części rakiet, samolotów itd.
Ograniczenia przestrzenne
Aerożele lub maty aerożelowe są idealne dla zastosowań, w których istnieje ograniczenie przestrzenne. Dzięki swojej niskiej przewodności cieplnej, w porównaniu z materiałami o tym samym wymaganym oporze cieplnym, aerożele zajmują znacznie mniej miejsca. Taka oszczędność miejsca może stwarzać inne, nowe możliwości rozwoju technologii, które pozwalają na wyeliminowania dotychczasowych ograniczeń.
Temperatura kriogeniczna
Maty aerożelowe można przygotować tak, by nadawały się do zastosowań kriogenicznych. materiały, narażone na oddziaływanie temperatur kriogenicznych w określonym czasie, nie mogą być kruche.
Wysoka temperatura
Aerożele i maty aerożelowe mogą być stosowane również w innych ekstremalnych warunkach, tj. w bardzo wysokich temperaturach, przekraczających niekiedy 1000oC. (temperatura topnienia krzemionki)
Nano powłoka, obecnie stosowana na amerykańskich samolotach wojskowych, jest polimerem który umożliwia łączenie się z powierzchnią materiału, na która jest nakładany.
Zawiera twarde i wytrzymałe elementy akrylowe i tworzy idealnie gładką barierę, aby zapobiec zanieczyszczaniom, których nie potrafimy zobaczyć gołym okiem.
Sposób nakładania: Najpierw trzeba umyć cały samolot, szlifierka (?). Stosuje się dodatnio naładowany roztwór, aby oczyścić pory. Następnie pory są gotowe, aby otrzymać ujemnie naładowane cząsteczki. Te molekuły są magnetycznie wpychane do porów i tam zostają. Zastosowana powłoka jest cieńsza od mikrona i pozwala zredukować zużycie paliwa o ok. 1 -2%.
Nano-farba może uczynić samoloty niewidzialnymi dla radarów.
Nowe nanostrukturalne powłoki mogą być dodawane do farb, aby pokryć samoloty, które będą niewidoczne w nocy, a które są niemal niewykrywalne przez radar o każdej porze dnia.
Wiązka elektromagnetyczna wysłana z radaru zostanie pochłonięta przez nano-farbę
i rozproszona w postaci ciepła do atmosfery. Radar wciąż może odebrać parę odbitych fal, jednak sygnał byłby słaby.
Zastosowanie nano-farby jest tańsze niż kupowanie niewidzialnego samolotu.
Powłoka wykonana z nanorurek węglowych, można maskować obiekt w ciemnościach nie do odróżnienia na nocnym niebie.
Nanorurki węglowe mają wiele pozytywnych właściwości, w tym doskonałej wytrzymałości i przewodności elektrycznej. Są również znane jako materiały najczarniejsze. Długi kawałek czystego węgla, o średnicy kilku nanometrów może prawie całkowicie absorbować szerokie spektrum światła od fal radiowych przez światło widzialne po ultrafiolet.
Nanorurki tworzą obiekty, które wydają się całkowicie płaskie i czarne, znikają na czarnym tle.
Samoloty w przyszłości nie zostaną zbudowane z tradycyjnych, wielu części połączonych mechanicznie. Zamiast tego konstrukcja skrzydła będzie zbudowana z „inteligentnych” materiałów oraz siłowników, które pozwolą wyginąć skrzydła, aby uzyskać największą wydajność aerodynamiczna i kontrole.
Czujniki będą działać jak nerwy i będą mierzyć ciśnienia na całej powierzchni skrzydła. W odpowiedzi na te pomiary siłowniki będą kierować skrzydłem. To pomoże złagodzić negatywne zachowanie samolotu w czasie turbulencji.
Czas reakcji nie jest tak szybki jak w przypadku siłowników piezoelektrycznych, jednakże istnieje możliwość skrócenia poprzez zastosowanie specjalnych elektrod lub struktur warstwowych.
Najbardziej spektakularnym przykładem nanotechnologii w cywilnym samolocie, jest elektrochromatyczna szyba w Boeingu 787. Potrafi zmienić się z przeźroczystej do ciemnej dzięki nano pokryciu.
Przykładem elektrochromicznego materiału jest polianilina (organiczny polimer przewodzący prąd)
Elektrochromiczny materiał zmienia przepuszczalność świetlna w odpowiedzi na zmianę napięcia. Prąd jest potrzebny tylko do zmiany stanu, po zmianie już jest niepotrzebny.
Można także zastosować zawieszone cząstki, gdzie cienka warstwa cząstek jest zawieszona w cieczy umiejscowionej miedzy dwiema cienkimi warstwami. Gdy brak napięcia ułożone są losowo (brak przepuszczalności światła), natomiast po dostarczeniu napięcia wyrównują się i przepuszczają światło.
CNT są jednowymiarowymi przewodnikami i mogą zachowywać się jak metale lub półprzewodniki w zależności od ich szczegółowej struktury. Wokół obwodu nanorurki mogą istnieć jedynie dyskretne stany elektronowe.
Struktury kompozytowe przewodzą prąd słabiej niż metal, w wyniku czego mogą zostać uszkodzone jeśli warstwa ochronna jest niepoprawnie zastosowana lub jej brak.
CNT ze względu na wysokie przewodnictwo elektryczne mogą być stosowane jako ochrona przed piorunami. Kiedy pokryjemy zewnętrzne części samolotu nanorurkami, piorun „przepłynie” wzdłuż samolotu bez powodowania uszkodzeń.