авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

«Нанотехнологии в России и мире. Сегодняшние черты нового технологического уклада Книга подготовлена в рамках государственного контракта № 16.647.12.2038 от 4 ...»

-- [ Страница 5 ] --

Исследования в области нанобезопасности призваны заполнить наш недостаток знаний в области мер безопасности и контроля над воздействием инженерных наночастиц на здоровье людей на рабочих местах. Прежде всего необходимы исследовательские программы идентификации вредоносности наночастиц и определения их характеристик, оценок степени воздействия, степени риска и методов управления рисками..

Целиком процесс обеспечения производственной безопасности и охра ны труда при появлении любых новых прогрессивных технологий или при менения новых материалов состоит из ряда последовательных действий:

– определения возможной опасности и ее характерных черт, – определение допустимых пределов нежелательного воздействия вредных факторов на организм человека, – определение степени риска, – разработка мер контроля и обеспечения безопасности.

После определения допустимых нормы воздействия нежелательных факторов, можно говорить о возможном профессиональном риске. Если та кой риск существует, следует его качественно охарактеризовать и количест венно оценить. Качественная оценка состоит в определении, могут ли в кон кретных рабочих условиях данные технологии или вещества (в нашем случае наночастицы) представлять опасность для здоровья работающих с ними лю дей. Данные по допустимому воздействию необходимы для определения тех мер контроля, которые необходимо ввести для предотвращения вреда здоро вью людей.

Токсикологические исследования являются одним из краеугольных элементов оценок производственной безопасности. Определены основные пути поступления наночастиц в организм (респираторный и через кожу), вы явлены наиболее подверженные воздействию органы (легкие, сердечнососу дистая система, кожа, мозг), а также проводились оценки механизмов воз действия на здоровье конкретных видов наночастиц.

Одновременно разрабатывались и совершенствовались методы измере ния концентраций наночастиц в воздухе. Параллельно предпринимались по пытки создания систем контроля за взвешенными в воздухе наночастицами, оценивались сильные и слабые стороны методов контроля. Подобные работы шли и в отношении изучения возможностей индивидуальных средств защиты (ИСЗ), таких как респираторы и защитные перчатки.

Находки в указанной области и лабораторные исследования постоянно используются для дополнения рекомендаций, проведения новых оценок по тенциального риска наночастиц.

Проблема состоит в том, что в нанотехнологиях сложно проводить классиче скую схему пошаговых мероприятий от идентификации существующей опасности до мер по управлению рисками, так как ежедневно все большее число людей соприкасается с наноматериалами по мере оттого, как нанотех нологии все шире проникают в промышленные и коммерческие сектора. Та ким образом, проблема состоит в том, чтобы проводить все новые исследова ния для восполнения недостатка информации, и параллельно готовить про межуточные руководства. К счастью существует довольно обширная база данных по оценкам рисков и контролю на рабочих местах за частицами раз мерами от 100 нм до 1 мкм. Считается, что ныне производимые наномате риалы по своему поведению и физическим свойствам не сильно отличаются от этих тонкодисперсных частиц. Хотя область применения последнего до пущения еще требует дополнительных оценок.

Случаи прикладного использования нанотехнологий очень многочис ленны и разнообразны. В то же время довольно сложно определить, как оп ределить гомологичные классы наночастиц для тестирования и контроля.

Большую проблему представляет громадное разнообразие наночастиц, так как сложно бывает определить на каких именно классах следует сосредото чить основные усилия. Поэтому особое внимание следует уделять таким бы стро развивающимся классам, таким как: углеродные нанотрубки, углерод ные нановолокна, оксиды металлов, квантовые точки.

При этом в рамках каждого класса существует неисчислимое множест во комбинаций и модификаций физико-химических параметров, которые вносят в эти материалы исследователи и производители. Поэтому, хотя для характерных представителей различных классов наночастиц уже были про ведены корректные лабораторные токсикологические исследования, необхо димы полевые оценки и измерения для все более растущего разнообразия на ночастиц на рабочих местах.

Выделяют 10 основных областей интересов (см. рис. 4) для того, что бы:

проводить исследования в тех областях, где существуют существенные пробелы в наших знаниях, разработать стратегию действий, и получить возможность давать рекомендации и руководства.

Рисунок 4. Основные области интересов в области обеспечения нанобезо пасности.

Каждая из десяти областей сопровождается кратким описанием целей и задач исследований в области безопасного использования наноматериалов на рабочих местах.

В области «Токсичность и внутренняя доза» предполагается прове дение следующих исследований:

Идентификация и изучение физико-химических характеристик (разме ров, формы, растворимости и т.д.), которые определяют токсичность наночастиц.

Изучение того, что происходит с наноматериалами, когда они попада ют в организм человека.

Оценка краткосрочного и долгосрочного воздействия наноматериалов на органы и ткани (например, на легкие, мозг, сердечнососудистую систему).

Создание комплексных моделей, могущих помочь в оценках наносимо го вреда.

Решение вопроса, могут ли методы измерения, отличные от измерений масс, быть более адекватными для определения токсичности.

Подробно изучено токсическое воздействие наночастиц, образующихся в процессах горения, плавления или в выхлопных газах двигателей. Однако гораздо меньше известно о намеренно производимых (инженерных) наноча стицах диаметром менее 100 нм. В вопросах влияния этих инженерных нано частиц на здоровье людей остается много неясностей. Эти неясности возни кают из-за отсутствия или малочисленности знаний о путях проникновения этих наночастиц в организм, путей миграции внутри организма между орга нами и тканями и механизмах их взаимодействия с биологическими систе мами. Результаты наблюдений над людьми и экспериментов на животных по воздействию наночастиц, которые случайно попали в организм через органы дыхания, могут дать предварительную информацию для оценок возможных нежелательных эффектов воздействия сходных с ними инженерных нанома териалов.

Проводятсяисследования для получения ответов на следующие вопро сы:

Что более критично при определении степени воздействия: площадь поверхности частиц или их масса?

Приведет ли высокая концентрация наночастиц в воздухе к проникно вению их из легочного (альвеолярного) воздуха внутрь клеток, органов и кровяное русло?

Как наночастицы попадают в различные органы из кровяного русла?

Каковы механизмы генерации активных форм кислорода наночастица ми?

Представляет ли опасность для здоровья людей проникновение нано частиц в организм через кожные покровы?

Как форма, стойкость, и химический состав наночастиц отражаются на их биологической активности?

Не распадаются ли в организме комплексные наночастицы на более мелкие, и более опасные для здоровья человека компоненты?

Могут ли результаты экспериментов in vitro отражать реальные про цессы, идущие in vivo?

В России и мире осуществляется комплексная программа исследований, сфокусированная на определении возможного производственного риска, воз никающего при работах с наноматериалами. В настоящее время ведутся не сколько проектов в основном касающихся изучения перкутанного (через ко жу) и ингаляционного воздействия наночастиц. В число проектов входят сле дующие исследования:

Исследования механизмов накопления наночастиц и удаления их из ор ганизма через легкие после интратрахеальной инстилляции, вдыхания через носоглотку, или попадания в легкие.

Изучение с помощью меченных наночастиц путей их проникновения в ткани и кровяное русло из дыхательных путей.

Оценка вредного воздействия наночастиц различных типов и химиче ского состава на легкие, включая такие эффекты как окислительный стресс, воспаления, и фиброзные явления.

Оценка воздействия вдыхаемых наночастиц различных типов и хими ческого состава на сердечнососудистую систему.

Оценка возможных путей проникновения наночастиц из легких в мозг, и определение, приводит ли это к каким-либо неврологическим эффек там.

Определение взаимосвязей площади поверхности наночастиц с их биологической активностью.

Определение способности выстилающих легкие жидкостей расщеплять сцепленные друг с другом наночастицы.

Оценка применимости результатов экспериментов in vitro к предсказанию сходного поведения наночастиц in vivo.

Исследования воздействия наночастиц различных типов и химического состава на кожные покровы.

Среди достижений в этой области по состоянию на сегодня можно от метить следующие:

Разработаны улучшенные методы дисперсии наночастиц для проведения экспериментов in vivo и in vitro.

В экспериментах in vitro определен характер воздействия однослойных нанотрубок и наночастиц оксидов металлов на культуры клеток кожи.

Проведены оценки воздействия однослойных углеродных нанотрубок при попадании их в легкие.

Исследованы процессы накопления и миграции меченных углеродных нанотрубок в легких лабораторных животных.

Разработаны системы для получения аэрозолей из сверхмалых частиц диоксида титана (TiO2) и из однослойных углеродных нанотрубок (ОУН) контролируемого размера и концентрации.

На лабораторных животных исследовано влияние вдыхаемых с возду хом наночастиц, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок и TiO2, на сердечнососудистую систему.

Хотя получены значимые результаты в изучении потенциального вре да, который могут нанести наноматериалы, в этой области необходимо про вести еще много исследований. В ближайшее время исследования будут в основном идти по следующим четырем важнейшим направлениям:

1. Определение характера и тяжести воздействия вдыхаемых наноча стиц на легкие и легочные ткани.

2. Определение путей, по которым наночастицы могут мигрировать внутри организма (например, в сердце или в мозг) после вдыхания их в легкие.

3. Изучение влияния воздействия наночастиц на иммунную систему.

4. Изучение взаимосвязи уникальных физико-химических свойств на ночастиц и оказываемых ими на организм эффектов.

В области «Оценки рисков» предполагается проведение следующих исследований:

Установить, как существующие данные по дозово-зависимой токсич ности (для человека и животных), применимые для мелкодисперсных частиц, могут быть использованы для идентификации и оценок про фессиональной вредности и рисков.

Разработка системы оценок потенциальной опасности и профессио нального риска для работ с наноматериалами.

В контексте производственной безопасности оценки рисков можно оп ределить как научно-обоснованные оценки потенциально возможных неже лательных эффектов, которые возникают при контакте работающего персо нала с опасными веществами. При оценках рисков необходимо вначале опре делить, существует ли вообще опасность, и до какой степени она угрожает персоналу. Риск существует только при наличии опасного агента и при нали чии контактов с этими агентами у персонала. Для оценок рисков используют как качественные, так и количественные показатели.

Парадигма оценок рисков. При проведении количественных оценок используются собранные данные и рассматривается взаимосвязь между ме рой поученного воздействия и реакцией организма на это воздействие. Эта взаимосвязь известна как зависимость типа доза-эффект. Количественные методы полезны, когда необходимо оценить, какие концентрации вероятнее всего вызовут (или не вызовут) вредные последствия для здоровья. Получае мые оценки рассматривают в сочетании с данными по профессиональному воздействию для того, чтобы (1) охарактеризовать риски для здоровья и безопасности для сотрудни ков, (2) сформировать основу для решений в области управления рисками, и (3) оценить эффективность инженерного контроля и других мер безо пасности.

Если недоступна конкретная информация по дозо-зависимым эффек там, могут быть применены качественные методы оценки рисков такие как сравнительный анализ или методы ранжирования степени опасности.

Для разработки надежных методов и моделей оценки риска специали сты в этой области должны тесно контактировать с учеными экспериментаторами так как результаты лабораторных опытов могут предос тавить нужную информацию и избежать множества неясностей в проведении оценок. Необходимо также налаживать сотрудничество с менеджерами по рискам и предоставлять им необходимую информацию для проведения эф фективных стратегий по снижению рисков.

Целью проведения оценок рисков является обеспечение безопасных условий работы для занятых в производстве сотрудников. Эта информация используется для проведения адекватных мероприятий по снижению или полному предотвращению возможных рисков.

В таком новом направлении индустрии как нанотехнологии просто еще не накоплено достаточно экспериментов на людях о возможном воздействии инженерных наночастиц на здоровье. Метод оценки – экстраполяция данных по дозо-зависимым эффектам, полученных на животных, для оценок риска для людей, занятых в нанотехнологическом производстве.

Для совершенствования существующих методов и моделей оценки рисков, в настоящее время основное внимание уделяется следующим на правлениям:

1. Расширение существующих моделей оценок рисков на грызунах для изучения поведения вдыхаемых наночастиц и их перераспределения между органами тела.

2. Создание исследовательских моделей, способных отражать базовую взаимосвязь внутренней дозы и биологического ответа на нее.

3. Развитие современных статистических методов, позволяющих со брать воедино многочисленные данные, полученные в различных моделях типа «доза-эффект».

4. Изучение применимости различных методик оценки рисков и ис пользование уже имеющихся данных для разработки предваритель ных проектов стратегий управления рисками.

5. Изучение подходов биоматематического моделирования для прове дения оценок профессиональных рисков при работе с несфериче скими наночастицами (например, с углеродными нанотрубками).

Ведутся также исследование методов качественных и количественных оценок профессионального воздействия наночастиц. Доступная в настоящее время информация включает в себя:

(1) результаты токсикологических и эпидемиологических исследований по взвешенным в воздухе частицам и волокнам, и (2) результаты токсикологических тестов на наночастицы in vivo и in vitro.

Накопленная информация позволяет уже сейчас подготавливать вре менные руководства по технике безопасности и проводить сравнительный анализ эффектов ранее хорошо изученных материалов и вновь получаемых данных об эффектах новых типов наночастиц.

В области «Эпидемиология и надзор» предполагается проведение следующих исследований:

Обзор уже существующих эпидемиологических исследований, связных с изучением контактов с наноматериалами на рабочих местах.

Восполнение недостатка знаний результатами эпидемиологических ис следований, направленных на более глубокое понимание поведения наноматериалов Интеграция вопросов нанотехнологической безопасности и вопросов здравоохранения в комплексные методики проведения надзора, а также определение областей, в которых необходимо использовать новые ме тоды контроля.

Использование уже существующих систем обмена информацией для обмена данных по нанотехнологиям.

В настоящее время практически отсутствуют данные о биологических ответах на воздействие инженерных наночастиц на организм человека. Необ ходимо заполнить наши пробелы в знаниях и механизмах поведения нанома териалов до того, как проводить эпидемиологические исследования. Напри мер, улучшенные оценки характера воздействия позволят исследователям определить группы людей, которые наиболее вероятно подвергнутся воздей ствию наноматериалов. Пока еще не проведены подобные оценки, для оцен ки рисков воздействия воздушных взвесей наноматериалов могут быть ис пользованы данные о воздействии на человека других аэрозолей (то есть, бо лее крупных частиц).

Данные о воздействии на организм человека на рабочих местах вды хаемых им взвесей частиц и волокон, полученные из эпидемиологической литературы, могут помочь понять опасность и наночастиц. В то же время, при соотнесении имеющихся данных по обычным частицам к наноматериа лам возникает целый ряд трудностей, включая следующие:

Необходимо определять, насколько сверхмалый размер частиц (менее 100 нм) может стать причиной и обуславливать характер их вредонос ного воздействия.

Определение путей, по которым наночастицы могут мигрировать внутри тела человека и поражать другие органы и ткани вне зоны их непосредственного проникновения.

Отсутствие информации о потенциальном воздействии наноматериалов на организм работников на рабочих местах приводит к необходимости про ведения надзора за гигиеной труда рабочих, занятых в нанотехнологиях.

На каждом рабочем месте, где происходит производство, использова ние и/или другие работы с инженерными наноматериалами, необходимо про водить качественные оценки риска.. По мере дальнейшего развития нанотех нологий, эти программы надзора будут дополняться и модифицироваться.

Существует настоятельная необходимость получения достоверных оценок степени и характера воздействия наночастиц на организм человека.

Улучшение методов оценки воздействия потребует целого ряда шагов, и в первую очередь – определение круга лиц, которые могут подвергаться тако му воздействию. Недостаток наших знаний о наноматериалах должен быть заполнен результатами эпидемиологических исследований. Кроме того, не обходимо проводить токсикологические исследования и определять потен циальный вред здоровью путем проведения программ медицинского надзора за рабочими местами.

В области «Инженерный контроль и ПСЗ» предполагается проведе ние следующих исследований:

Оценки эффективности инженерного контроля для снижения опасно сти воздействия на персонал наноаэрозолей на рабочих местах, а также при необходимости разработка новых методов инженерного контроля.

Оценка достаточности текущего диапазона измерений контрольной техники для получения новой информации, оценка эффективности но вых материалов.

Оценка эффективности и возможности модификации существующих ИСЗ (индивидуальных средств защиты).

Выработка рекомендаций по предотвращению или снижению воздей ствия на организм человека промышленных наноматерилов (например, рекомендации по выбору средств защиты органов дыхания).

Так как в настоящее время еще отсутствуют четкие нормы допустимого воздействия наноматериалов, логично развивать эффективные методы и приемы инженерного контроля. Кроме того, эффективность всякой вновь возникающей отрасли или направления в промышленности зависит от себе стоимости производимой продукции, а в нее входят и меры по технической безопасности. Минимизация профессиональных контактов – это наиболее ра зумный подход в тех случаях, когда мы имеем дело с веществами и материа лами, токсичность которых четко не определена, и это в полной мере отно сится к наноматериалам. К числу таких подходов относятся изоляция опас ных процессов, исключение контактов с человеком путем полной автомати зации процессов, изоляция работников от контактов, и/или использование местной вытяжной вентиляции при работе с наноматериалами. Когда наши знания о потенциальной опасности тех или иных наноматериалов будут бо лее полными, методы инженерного контроля станут более конкретными и эффективными.

Когда нет возможности применять методы инженерного контроля при работе с наночастицами, следует использовать ундивидуальные средства за щиты (ИСЗ), такие как респираторы, защитную одежду и перчатки. Исполь зование ИСЗ следует производить на основе профессиональной оценки по тенциальной опасности материалов. Существуют опасения, что из-за своих крайне малых размеров и ряда уникальных свойств наночастицы смогут про никать через барьеры ИСЗ.

В научной литературе находится довольно мало публикаций, посвященных созданию и применению эффективного инженерного контроля в нанотехно логической промышленности. Тем не менее, государство организует и про водит всесторонние оценки существующих подходов инженерного контроля за воздействием наночастиц на человека. В этих оценках в частности рас сматриваются вопросы насколько методы защиты от наночастиц отличаются от стандартных процедур инженерного контроля более крупных частиц.

Кроме того, проводятся технические проверки работы различных предпри ятий, имеющих дело с наноматериалами. В рамках проверок оценивают по тенциальную возможность прямых контактов с наноматериалами на таких предприятиях, а также использующиеся на них методы инженерного контро ля.

В настоящее время существуют достоверные данные об эффективности респираторов при защите от частиц размерами до 20 нм в диаметре. Гораздо меньше известно о поведении более мелких частиц. Для проведения научных оценок возможности защиты от сверхмелких частиц Целью работ было ис следовать способность наночастиц размерами от 3 до 20 нм проникать через различные респираторные насадки фильтров, включая стекловолоконные, электретные и нановолоконные фильтры. Было показано, что протестирован ные насадки эффективно задерживали наночастицы размерами до 3 нм. При чем не было обнаружено никаких данных, что такие сверхмалые частиц про сачиваются через протестированные насадки в большем соотношении, чем более крупные частицы.

Продолжается разработка инновационных методов для измерения спо собности наночастиц проникать через защитную одежду. При оценке степени проникновения наночастиц через коммерческие образцы защитной одежды будут применяться аэрозоли частиц оксида железа размерами до 20 нм.

В области «Методы измерения» предполагается проведение следую щих исследований:

Оценка существующих методов определения общей массы вдыхаемых взвешенных в воздухе частиц, и оценка приемлемости использования данных методов для наноматериалов.

Разработка и практические испытания на рабочих местах точных мето дов определения концентрации взвешенных в воздухе наночастиц.

Разработка и тестирование эталонных измерительных систем и инст рументов.

Надежные научные методы измерения являются необходимым элемен том для распознавания, оценки и контроля профессиональных рисков во всех нынешних и вновь возникающих направлениях современных нанотехноло гий. Традиционные подходы к измерениям, основанные на определении об щей концентрации взвешенных в воздухе частиц, и частиц, во вдыхаемом воздухе, могут быть неприменимы к наноматериалам, так как последние об ладают уникальными физико-химическими и биологическими свойствами.

В рамках направления проводятся исследования, направленные на оп ределение и утверждение всестороннего набора методов измерений, которые могут быть применимы к наноматериалам. Эта область исследований извест на под названием нанометрологии. Для целей нанобезопасности в развитии нанометрологии необходимы:

1. Оценка используемых в настоящее время методов измерения общей и вдыхаемой концентраций взвешенных в воздухе частиц для опре деления приемлемости этих методик к замерам наноматериалов.

2. Развитие практических методов измерения концентрации взвешен ных в воздухе наноматериалов на рабочих местах и оценка точности предлагаемых методик.

3. Разработки эталонных тестовых и аналитических систем и опреде ление адекватного инструментария для отбора проб.

Обозначенные выше направления исследований вносят свой вклад в на ши знания о возможных путях воздействия наноматериалов на персонал на рабочих местах. В результате мы сможем понять, как наночастицы попадают в окружающую среду и каковы пути их распространения. Кроме того, ре зультаты приведенных выше исследований помогут специалистам по про фессиональной гигиене и охране труда разработать научно обоснованную стратегию защиты персонала, и помогут проведению разработок националь ных и международных стандартов для вновь возникающих технологий.

В области «Оценка степени воздействия» предполагается проведение следующих исследований:

Определение основных факторов, которые влияют на поступление, рассеивание, и аккумуляцию наноматерилов в пространство производ ственных помещений.

Оценка изменения характера и степени воздействия наноматерилов на организм работника в ходе производственного процесса.

Оценка возможной степени воздействия, когда наноматериалы вдыха ются вместе с воздухом или контактируют с незащищенными участка ми кожи.

Оценка степени воздействия является критическим компонентом ана лиза вопросов производственной безопасности и способности наноматериа лов наносить вред здоровью людей. Поэтому совершенно необходимо прово дить оценки воздействия на рабочих местах, определять механизмы, по кото рым наноматериалы могут воздействовать на работников, оценивать частоту и интенсивность воздействий. Без кропотливого сбора данных о воздействи ях непосредственно на рабочих местах довольно сложно корректно охаракте ризовать производственные условия и рабочую обстановку на местах, опре делить источники поступления наноматериалов, или количественно оценить суммарное воздействие наночастиц на персонал. Кроме того, данные по воз действию необходимы для принятия решений при выработке стратегий управления рисками или при введении эффективного инженерного контроля на рабочих местах.

К сожалению, в настоящее время большинство инструментов для обна ружения наноматериалов слишком велики, чтобы оснащать ими работников и проводить замеры непосредственно вдыхаемого воздуха. По этой причине для оценки воздействия наноматериалов на работников общий забор образ цов воздуха из помещений, где находился персонал, увязывался, где это было возможно, с персональными пробами.

Оопредено несколько областей, которые требуют дополнительных ис следований. Это работы по оценкам воздействия наноматериалов на работ ников различных нанотехнологических предприятиях с использованием пор тативных инструментов, определяющих размеры и концентрацию наноча стиц. После завершения первоначальных гигиенических исследований необ ходимо провести более детальные обследования таких организаций с исполь зованием более сложной техники, позволяющей определять гранулометриче ский состав частиц, общую площадь их поверхности, а также удельные мас сы наночастиц различных размеров. Ожидается, что результаты комплексных измерений позволят более точно определять области, где наиболее возможен контакт персонала с наноматериалами, а также предсказывать возможное не гативное воздействие их на здоровье работников.

В области «Взрыво- и пожаробезопасность» предполагается проведе ние следующих исследований:

Определение физических и химических свойств, которые могут обу словить способность образовывать аэрозоли, горючесть, воспламеняе мость и электропроводность наноматериалов.

Выработка рекомендаций по предотвращению или снижению воздей ствия на организм человека промышленных наноматерилов на рабочих местах.

Так как нанотехнологии являются еще очень молодой отраслью науки и техники, в настоящее время мало что известно об угрозах безопасности, связанных с производством и использованием наноматериалов. Тем не менее, доступная информация о наночастицах позволяет предположить, что в опре деленных условиях они могут представлять весьма высокую опасность воз никновения взрыва или самопроизвольного воспламенения при попадании их в воздух. Это обусловлено прежде всего высокой удельной площадью по верхности наночастиц. Пока еще не появилось достаточно достоверной ин формации по этим вопросам, используют уже существующие данные по ис следованиям частиц размерами менее 100 нм для оценки потенциальной опасности взрыва или воспламенения взвешенных в воздухе облаков наноча стиц.

Каждый год в промышленности регистрируется около 20 случаев взры вов воздушно-пылевых смесей, что зачастую приводит к серьезному матери альному ущербу, травматизму и даже смерти среди рабочих. Более того, в ре зультате таких взрывов в воздух может подняться уже осевшая пыль, что создает новые предпосылки для возгорания или взрыва. Процессы генерации инженерных наноматериалов в газовой фазе, а также использование или про изводство порошковых материалов, суспендированных материалов или рас творов с высокой степенью вероятности ведут к попаданию наночастиц в воздух рабочих помещений, что создает значительный риск их взрыва или возгорания. Вообще в настоящее время вопросы взрывной и пожарной безо пасности наноматериалов занимают одно из первых мест в списке всех их потенциальных опасностей.

Наноматериалы вызывают значительные опасения с точки зрения их взрывной и пожарной опасности, так как многочисленные факты указывают, что уменьшение размеров частиц горючих материалов всегда сопровождает ся увеличением их способности самовоспламеняться или взрываться. Для многих пылевых частиц кривая повышения опасности взрыва выходит на плато при уменьшении их размеров до величин порядка десятков микрон.

Тем не менее, некоторые наноматериалы специально создаются с целью ге нерировать тепло путем проведения реакций на наномасштабном уровне – в этом случае опасность самопроизвольного возгорания значительно увеличи вается.

Способность наноматериалов накапливать электрический заряд в про цессе их транспортировки и обработки добавляет риск возникновения взры ва, особенно когда работы ведутся с нанопорошками. Накопление зарядов тем интенсивнее, чем больше суммарная площадь частиц. В результате очень высокая удельная поверхность наночастиц может способствовать накопле нию значительного заряда, а это, при попадании таких частиц в воздух, мо жет привести к самовозгоранию или взрыву.

Наночастицы и наноструктурированные пористые материалы уже мно го лет используются для ускорения катализа, или для снижения рабочих тем ператур реакционных смесей в жидкой и газовой фазах. В зависимости от своего химического состава или структуры некоторые наноматериалы могут инициировать каталитические реакции, и приобретать горючие или взрыво опасные свойства, которые не были присущи исходным материалам, если ис ходить из их химического состава.

В отсутствии данных о взрывной и пожарной безопасности пылевых наноча стиц определен ряд направлений, в которых следует повести исследования для решения вопросов взрывной и пожарной безопасности в нанотехнологи ях.

Изучение физико-химических и реакционных свойств наноматериалов.

Определения потенциальных способностей взвешенных в воздухе на номатериалов самовозгораться или взрываться.

Исследование вопросов, насколько горючие наноматериалы более взрыво- или пожароопасны, чем исходные материалы, из которых они получены.

Определение условий, при которых химические и/или физические свойства наноматериалов могут инициировать каталитические реакции и повышать таким образом вероятность возникновения взрыва или воз горания.

В области «Рекомендации и руководства» предполагается проведение следующих исследований:

Использование всех достижений современной науки в написании вре менных руководств по технике безопасности при производстве, ис пользовании или других манипуляциях с наноматериалами.

Оценка уже существующих данных по предельно допустимым концен трациям для аэрозольных частиц и дополнение их новыми данными для обеспечения безопасной работы на местах.

Для обеспечения профессиональной безопасности при работе с нано материалами приоритетные цели и задачи первого этапа:

Подготовка временных научных рекомендаций для обеспечения такой организации труда, которая обеспечит научно обоснованную безопас ную работу в области производства и использования наноматериалов.

Утверждение экспертных рекомендаций, полученных на основе лабо раторных и полевых исследований.

Развитие партнерских взаимоотношений с работодателями, наемными работниками, государственными агентствами, и научно академическими учреждениями для распространения полученных ре комендаций и поощрения взаимного обмена мнениями с целью их дальнейшего улучшения.

Периодический пересмотр временных руководств с учетом новых на учных открытий.

Обработка паспортов безопасности веществ и представление в них на номатериалов в удобном виде (с учетом текущей классификации и данных о токсичности) для людей, работающих в нанотехнологиях.

Оценка и модернизация данных о рекомендованных предельно допус тимых концентрациях на производстве (например, предельно допусти мой массовой концентрации наночастиц в воздухе помещений) для обеспечения безопасности работ.

В области «Образование и обмен информацией предполагается про ведение следующих исследований:

Завязывание контактов и установление различных форм сотрудничест ва, позволяющих обмениваться результатами научных изысканий, идеями и подходами.

Подготовка и обмен научно-методическими и учебными материалами по вопросам охраны труда и производственной безопасности, предна значенными для рабочих и служащих в сфере нанотехнологий, а также для профессионалов в области гигиены и охраны труда.

Целью данного направления является конверсия результатов научных изысканий в конкретную практическую информацию о мерах безопасности и методах охраны здоровья, которую могут непосредственно использовать ра бочий персонал и работодатели, занятые в нанотехнологиях.

Для того чтобы соответствующая по вопросам производственной безо пасности всегда была доступна заинтересованным лицам, необходимо:

Завязывать партнерские отношения для определения областей, где можно и нужно проводить совместные исследования.

Разрабатывать различные виды информационно-комммуникационных материалов, которые позволят целевой аудитории своевременно знако миться с полезной научной информацией.

С помощью методов коммуникации знакомить целевую аудиторию с последними научными исследованиями и разработками.

Разрабатывать эффективные коммуникационные и обучающие мате риалы, посвященные вопросам снижения уровня воздействия нанома териалов на организм человека на производстве.

Способствовать установлению всеобщего сотрудничества среди лиц и организаций, занимающихся вопросами распространения информации и образования в области нанотехнологий.

В области «Практическое применение предполагается проведение следующих исследований:

Определение таких нанотехнологических разработок, которые можно использовать для решения задач производственной безопасности и ох раны труда.

Оценка эффективности и распространение прикладных нанотехнологи ческих разработок среди рабочих и служащих в сфере нанотехнологий, а также для профессионалов в области гигиены и охраны труда.

Уникальные свойства и характеристики наноматериалов могут служить основой для создания новых устройств, продуктов или процессов, которые помогут снизить потенциальные риски возникновения профессиональных за болеваний или получения производственных травм. Эти инновации могут обладать такими характеристиками, которые невозможно получить при ис пользовании обычных веществ и материалов.

Глава 9. Нанотехнологии и высокотехнологические индустрии (на примере аэрокосмической отрасли) В настоящее время аэрокосмическая промышленность для своего раз вития остро нуждается в новых конструктивных материалах с улучшенными свойствами. В то же время возможности дальнейшего улучшения свойств используемых материалов обычными методами исчерпали себя. Современ ные тенденции состоят в попытках придания «интеллектуальности» и мно гофункциональности различным компонентам аэрокосмических систем.

Эксперты выделяют следующие основные тенденции развития разра боток материалов, характерные как для аэрокосмической отрасли, так и для автомобилесмтроения и других близких сегментов промышленности: более легкие и прочные материалы, прозрачные ветрозащитные (лобовые) стекла, защитные лакировочные покрытия и матричные полимерные композиты.

Одним из таких материалов являются композиты, армированные на нотрубками. Уникально высокая жесткость, выше чем у алмазов (более чем в 10 раз превышающая жесткость любых других доступных материалов), вы сокая прочность, переменная электропроводность и высокая прочность на разрыв углеродных нанотрубок (УНТ) делают их крайне привлекательными для использования в качестве наполнителей макроскопических композитов.

Полимерные композиты, армированные углеродными нанотрубками, представляют большой интерес для авиационной промышленности из-за их высокой прочности по отношении к весу и потенциальной мультифункцио нальности. Так, использование таких композитов в элементах конструкции может существенно повысить устойчивость последних к вибрациям и воз действию огня.

Уже следовые концентрации нанотрубок придают армированным ими полимерам антистатические свойства, когда же концентрация нанотрубок достигает около 1% по весу, полимер приобретает свойства электропровод ности. Именно тесная взаимосвязь электрических и механических свойств таких композитов позволяет рассматривать их как подходящих кандидатов на роль «умных» материалов.

Специалисты выделяют четыре основных критерия, которые должны соблюдаться для эффективного армирования полимерного матрикса угле родными нанотрубками: высокое аспектное отношение (длины к толщине), перенос граничного напряжения, хорошая диспергируемость, и способность к выстраиванию. Хотя углеродные нанотрубки обычно имеют очень высокое аспектное отношение, их абсолютная длинна очень мала, что создает трудно сти управления процессом. Более того, высокая стоимость и малая длина уг леродных нанотрубок в сочетании с невозможностью эффективно дисперги ровать и выстроить их в полимерном матриксе в настоящее время сильно тормозит разработки реальных композитных структур, которые смогли бы дополнить или заменить ныне применяемые в авиации и космонавтике мате риалы. В этой связи ученые всего мира ищут новые процессы синтеза, кото рые позволили бы организовать действительно широкомасштабное произ водство углеродных нанотрубок, причем макроскопической длинны. Также ведутся работы по внедрению коротких нанотрубок в более длинные компо зитные волокна.

Установлено, что функционализация и облучение внедренных в поли мер нанотрубок (или полимерных волокон, содержащих нанотрубки) значи тельно повышает их дисперсионные способности и улучшает взаимодействия нанотрубок с матриксом, что позволяет надеяться в дальнейшем на получе ние армированных нанотрубками композитов с улучшенными свойствами.

Вторым кассом материалов, необходимых в аэтокосмической отрасли являются нанострукткрированные материалы.

Наноструктурированные металлы содержат наноразмерные зерна, ко торые придают им большую твердость и прочность. Хотя такие металлы рас сматриваются как альтернатива ряду токсичных материалов (например, хро мовые покрытия) и предполагается использовать их в структурных элемен тах, их практическое применение может быть затруднено повышенной хруп костью и сложными процессами изготовления.

Наноструктурированные металлы можно использовать в качестве очень прочных покрытий с высокой коррозионной стойкостью, что делает их очень привлекательными в аэрокосмических компонентах, таких как авиаци онные шасси. Весьма перспективно использовать такие материалы в строи тельной технике: в головках буровых установок или в отвалах бульдозеров.

Возможности улучшать свойства материалов с металлическими свой ствами с помощью стандартных методов, такими как деформация в холодном состоянии, закалка на твердый раствор, упрочнение дисперсионными части цами, практически достигли своих реальных пределов. Согласно хорошо из вестному соотношению Холла-Петча, прочность является линейной функци ей от обратного квадратного корня диаметра зерна (d-1/2), что означает, что граница зерна становится прочнее в 10 раз, когда размер зерна уменьшается на два порядка. Можно ожидать, что по мере измельчания зерен вплоть до нанометровых размеров будет происходить и увеличение прочности мате риала. Таким образом, измельчение зерен до размеров нанометров может по зволить получить новые высокопрочные материалы.

Для производства таких высокопрочных нанокристаллических метал лов необходима разработка новых технологических процессов их получения.

Наноматериалы могут быть получены с помощью следующих методов вос ходящей разработки (от простых элементов к сложным): конденсация в инертном газе, затвердевания нанопорошков, электроосаждения, или кри сталлизацией в аморфной фазе. Но такими способами можно получить толь ко небольшие количества материалов, обычно диаметром не более несколь ких миллиметров. Поэтому возможно только нисходящий подход (от слож ных элементов к простым) может предложить хорошие «технологические»

перспективы. Такая концепция лежит в основе метода интенсивной пласти ческой деформации, в котором происходит металлов или сплавов, содержа щих гранулы обычного размера, в материалы с субмикронной или даже на номасштабной структурой. Преимущества метода интенсивной пластической деформации состоят в следующем: (1) в итоге получается 100% плотный на ноструктурированный материал, (2) в качестве исходных продуктов исполь зуются совершенно обычные материалы, и (3) в технологическом цикле от сутствует токсическая опасность, связанная с использованием нанопорош ков.

С помощью метода интенсивной пластической деформации можно по лучать высокопрочные материалы, обладающие к тому же и достаточной пластичностью (ковкостью). В некоторых случаях наблюдалось даже сверх пластичное поведение таких материалов. В ряде работ отмечалось высокое время жизни таких материалов до появления эффектов усталости, высокая зарядная емкость материалов и высокая скорость диффузии водорода, улуч шенная коррозионная устойчивость и износостойкость. Таким образом, по лучение нанометаллов методом интенсивной пластической деформации от крывает широкие перспективы для использования их в аэрокосмической промышленности.

С разработкой новых наноматериалов связывают появление «не тре бующих обслуживания» корпусов для современных самолетов. Развитие это го направления связано с разработкй и созданием самовосстанавливающих сся интерметаллических (метало-полимерные) матричные композитов. Бла годаря значительному росту работ по разработкам новых материалов и про цессов, изучению возможностей масштабирования производства до промыш ленных объемов и сертификации метало-матричных композитов (ММК) уже сейчас существует целый ряд ключевых разработок, которые смогут реально применяться в аэрокосмическом секторе. Возможности интеграции металли ческих фаз (которые демонстрируют целый ряд таких свойств как, например, аномальное напряжение текучести или образование кислородного барьера) в метало-полимерный матрикс остаются пока малоизученными. Тем не менее, уже существует ряд инженерных модельных систем, позволяющий изучать этот класс материалов, который представляет большой интерес для аэрокос мической промышленности.

Процесс армирования полимеров (термопластических пластмасс, тер мореактивных смол, эластомеров) с помощью фильтров, как органических, так и неорганических, довольно хорошо изучен в современном производстве пластмасс. Полимерные композиты являются прочными и относительно лег кими материалами, что определяет их привлекательность для аэрокосмиче ской промышленности. Традиционно экономия топлива на полет достигалась облегчением веса несущих конструкций летательных аппаратов. То же самое в полной мере можно отнести к космическим аппаратам, в которых к тому же важнейшим требованием является устойчивость конструкций к экстремаль ным воздействиям окружающей среды.

По оценкам экспертов к 2020 году для производства нанокомпозитов будет использоваться более 163 млн. кг наноматериалов общей стоимостью около 2 млрд. долл., причем стоимость только используемых нанотрубок превысит 1 млрд.долл. Расширение практического применения нанокомпози тов будет обуславливаться снижением стоимости их производства и решени ем технических аспектов дисперсии нанодобавок в матричном веществе. В ближайшем будущем ожидается быстрый рост использования высокотехно логичных смол, таких как искусственные пластмассы и термопластичные эластомеры. Тем не менее, пока на рынке будут доминировать нанокомпози ты на основе обычных пластмасс, таких как полипропилен, полиэтилен и ПВХ. Рынок же нанокомпозитов на основе термореактивных смол и пласт масс может вырасти к 2020 году примерно на 20%. По-видимому, первыми термореактивными пластмассами, используемыми в качестве основы для на нокомпозитов, станут ненасыщенные полиэфиры. Наряду с производством упаковочных материалов и двигателей автомобилей, самолетостроение явля ется одним из ключевых рынков потребления композитов полимеров с на ноглинами и нанотрубками. Согласно прогнозам к 2020 году самолетострое ние будет потреблять до 40% производства таких композитов.

Полимерные нанокомпозиты представляют собой альтернативу обыч ным наполненным полимерам или полимерным смесям. В отличие от тради ционных систем, в которых армирование происходит структурами размером порядка микронов, полимерные нанокомпозиты обладают уникальными свойствами, обусловленными нанометровыми размерами внедренных в по лимерный матрикс неорганических материалов. Эти эффекты обусловлены не только малыми размерами, но и формой и чрезвычайно высоким аспект ным соотношением (L/h 300) наполнителя, а также высокой относительной площадью контакта с полимерным матриксом. Благодаря своей высокой эф фективности, такие нано-наполнители могут использоваться в крайне малых количествах (менее 5% по весу). Неорганические наполнители могут в форме частиц, трубок, волокон, двумерных пластинок или представлять собой по ристые материалы. Использование таких наполнителей повышает прочность и износостойкость композитов, придает им огнеупорные свойства, делает не проницаемыми для диффузии, или позволяет получать прозрачные материа лы.

В настоящее время разрабатываются два основных подхода к произ водству полимерных нанокомпозитов: формирование in situ и последова тельное наслоение. Существует множество исследований процессов наслое ния слоистых силикатов, полимерных нанокомпозитов, включающих в себя углеродные нановолокна/нанотрубки, и высокоэффективных ПНК-смол.

Обычно полимерные нанокомпозиты разделяют на три основные кате гории, в зависимости от формы используемых в них наночастиц: слоистые силикаты, полимерные нанокомпозиты на основе нановолокон/углеродных нанотрубок, и высокоэффективные ПНК-смолы.

Нанокомпозиты, армированные слоистыми силикатами (глинами) зна чительно улучшают механические и термические свойства стандартных по лимеров, при этом в сравнении с обычными композитами у данных наноком позитов значительно улучшены механические, трибологические, термальные, электрические и барьерные свойства. Более того, данные минеральные вклю чения увеличивают термостойкость и не снижают прозрачности полимерного матрикса. Внедрение в полимер этих минералов в количествах около 2-5% по массе обеспечивает такие же механические свойства композита, как при вне дрении 30-40% обычного армирующего наполнителя. В аэрокосмической промышленности такие композиты могут применяться для изготовления ог неупорных панелей и в ряде высокоэффективных компонентов летательных аппаратов.

Особые свойства глино-полимерных нанокомпозитов расширяют об ласть применения смол и смесей на основе полиолефинов, стиренов, поли амидов или полиэфиров. В качестве матрикса для ПНК могут также исполь зоваться термореактивные полимеры, включая эпоксидные смолы, ненасы щенные полиэфиры и полиуретаны.

Рисунок 5. Слоисто-силикатные нанокомпозиты (IMI, AFRL) В ходе производства композитов ключевым инженерным вопросом яв ляется образование связей между полимером и внедряемыми в него наноча стицами, что во многих случаях решается с помощью добавления специаль ных поверхностно-активных веществ (сурфактантов). Этими веществами мо гут быть как простые молекулы, образующие ионные связи между наноча стицами и полимером (как в случае со слоистыми силикатами), так и вещест ва, образующие химические связи, либо полимеры, физически абсорбирую щие нанотрубки. Все эти модификаторы снижают свободную энергию в зоне контакта полимера и наноматериалов. Более того, такие поверхностно активные вещества могут служить катализаторами образования межфазных связей, инициировать полимеризацию, либо выступать как узловые токи матрикса, увеличивая прочность связей между полимером и неорганическим наполнителем. К сожалению, выбор оптимального модификатора для каждо го конкретного нанонокомпозита в большинстве своем производится чисто эмпирическим путем.

Свойства композитов типа полимер/нанотрубки зависят от множества факторов, в число которых входят тип нанотрубок, хиральность, чистота, де фекты плотности, и размеры (длинна и диаметр) нанотрубок, степень загруз ки, дисперсионное состояние и степень выравнивания нанотрубок в поли мерном матриксе, а также степень адгезии нанотрубок с матриксом. При оценке и сравнении характеристик композитов полимеров с нанотрубками следует учитывать все эти факторы.

Обычными процедурами улучшения дисперсионной способности и мо дификации свойств поверхности нанотрубок является их функционализация, которая в свою очередь может и существенно улучшить свойства нанокомпо зитов, в частности их механические свойства. Существенный прогресс в об ласти функционализации нанотрубок в последние годы говорит о том, что данный подход к улучшению свойств нанополимеров будет преобладать в ближайшем будущем.

Количественные оценки дисперсии нанотрубок в полимерах и раство рителях всегда были большой проблемой, так как требовали применения множества экспериментальных методов. К счастью, в последнее время поя вились новые экспериментальные решения данной проблемы, как, например, флуоресцентный метод, позволяющий обнаруживать отдельные трубки в по лимерном матриксе без разрушения образца.


Нанотрубки обладают четко выраженной способностью придавать по лимерным нанокомпозитам токопроводящие свойства. Дальнейшие успехи в области улучшения электрической проводимости композитов нанотрубок с полимерами, по-видимому, будут связаны преимущественно с использовани ем металлических нанотрубок. При их производстве преимущественно ис пользуются два подхода: модификация процессов синтеза с целью преиму щественного получения металлических нанотрубок и сортировка уже суще ствующих типов нанотрубок.

Физические свойства композитов типа полимер/нанотрубки могут быть описаны в рамках модели нанотрубчатой сети, которая четко детектируется электрическими и реологическими методами измерений. Сеть нанотрубок начинает проводить ток выше порога протекания, причем величина этого по рога протекания зависит как от концентрации нанотрубок, так и от их ориен тации. Сеть нанотрубок также значительно повышает вязкость полимера и замедляет его термическую деградацию.

Электропроводность и эффективность экранирования композитов ар мированных углеродными нанотрубками эпоксидных смол уже изучена как теоретически, так и экспериментально. С помощью электрических измерений и модельных систем были оценены влияния толщины композита и ориента ции волокон на эффективность экранирования таких композитов. Ленты эпоксидной резины с инкорпорированными в них однонаправленными угле родными нитями предполагается использовать в элементах конструкции са молетов в качестве материалов, предотвращающих образование трещин.

Разработан ряд облицовочных материалов, предназначенных для ис пользования в люках и элементах настила самолетов.

Спутники, находящиеся на орбитах, подвержены резким сменам тем ператур. Для обеспечения приемлемого для работы бортовой аппаратуры температурного режима необходимо применять различные термозащитные покрытия (защита как от тепла, так и от холода). Наноматериалы позволяют создать средства защиты от холода, используя осаждение полисилоксана на металлическую подложку. На геостационарных орбитах полислоксан, кото рый обладает очень высоким электрическим сопротивлением, может накап ливать заряды, что в итоге ведет появлению электростатических разрядов, могущих повредить бортовые электронные системы. Для предотвращения появления разрядов статического электричества требуется увеличить элек тропроводность такого покрытия, без снижения его термо-оптических свойств. Для этого можно использовать ряд методов, таких как внедрение уг леродных нанотрубок или наночастиц оксидов индия и олова в полислокса новый матрикс.

Так, был получен проводящий многфункциональный полимерный на нокомпозит на основе внедрения углерода в стекловолокно. Нановолокна придают стекловолокну и другим полимерным композитам совершенно осо бые свойства – способность проводить электричество, что открывает новые возможности для их прикладных применений. Появилась возможность полу чать легкие и прочные электропроводные материалы (которые изначально были непроводящими), и использовать их в обшивке самолетов для предот вращения поражения от ударов молний. Другими потенциально возможными областями применения таких материалов являются: создание электропрово дящих клеев, накопление энергии, структурные компоненты с улучшенной электро- и теплопроводностью (например, в компонентах авиадвигателей, которые смогут выдерживать более высокие температуры, а значит, станут более эффективными).

Производство, и физическая и химическая обработка различных форм углерода может в конечном итоге найти применение в совершенно различ ных областях авиакосмической промышленности. Например, в создании из носостойких авиатормозов, защитных покрытий для космических спутников, превосходных изоляционных материалов, способных поглощать и передавать тепло, новых видов батарей и т.д. Ученые, работающие в авиационной инду стрии, сейчас ищут возможности для замены традиционных медных электро проводов полимерными волокнами, содержащими проводящие углеродные нанотрубки.. Теоретически, при замене всех этих проводов на электропрово дящие полимерные волокна можно было бы снизить их общую массу воз душного судна на 100 – 400 кг в зависимости от его типа.

Наноструктурные материалы с ппамятью формы смогут найти практи ческое применение, например, при создании «упакованных» структур спут ников, которые после пуска смогут разворачиваться на орбите.

В течение ближайших 20 лет объемы мировых пасажироперевозок са молетами будут расти примерно на 5% в год. Основными причинами этого являются рост валовых национальных продуктов стран, ускорение глобали зации, и рост населения планеты. Для удовлетворения растущего спроса на авиаперевозки авиакомпании ведут активный поиск новых технологий.

Основными причинами новых технологий являются: требования к по вышению безопасности;

необходимость снижения выбросов в атмосферу;

снижение уровня шума;

увеличение вместимости самолетов;

увеличение дальности полетов;

увеличение грузоподъемности;

повышение скорости по летов;

снижение затрат на обслуживание и ремонт.

Для достижения всех поставленных целей особое значение приобрета ют разработки нового поколения более легких материалов. Основная задача состоит в снижении веса летательных аппаратов, и кроме того, новые мате риалы должны быть устойчивыми к коррозии, прочными и ремонтопригод ными.

Основным побудительным мотивом для поиска новых материалов яв ляется то факт, что транспортные затраты в коммерческой авиации снижают ся почти на 150 долл. при экономии веса в один килограмм. Снижение веса самолетов ведет не только к снижению стоимости перевозок, но к большей экологичности полетов в связи с экономией топлива. С другой стороны, лег кие материалы еще более необходимы для космических аппаратов, поэтому развитие исследований в этой области все же в большей степени стимулиру ется космическим сектором.

Основные требования, которые выдвигаются к материалам для аэро космического сектора – это прочность, жесткость, прочность на удар, дли тельное время эксплуатации, достаточная пластичность и лёгкий вес. Это от носится не только к материалам корпуса или, скажем, лопаткам турбин дви гателей, но и к полимерным компонентам внутренней обшивки салонов.

Авиация также нуждается в новых сенсорах и миниатюрных электрон ных системах, хотя развитее в этих областях в основном определяется дру гими секторами экономики: автомобильной и коммуникационной сферами.

Успехи в области коммуникационных технологий могут быть использованы в авиации, когда новые технологические разработки найдут промышленное применение.

Новые революционные нанокомпозиты могут стать в 100 раз прочнее стали, при этом составляя лишь 1/6 часть от ее веса, что открывает широкие перспективы для самолетостроения.

Текущие НИОКР в основном направлены на изучение возможностей улучшения макроскопических материалов путем введения добавок нанома териалов. При условии благоприятного развития событий. В будущем воз можно создание самолетов, вес которых будет почти в два раза меньше су ществующих на сегодняшний день моделей. Кроме того, такие материалы могут обладать свойствами «самовосстановления». Высокое соотношение прочности к весу таких наноматериалов позволит конструировать на их ос нове такие самолеты, которые будут менее подвержены авариям, и обеспечат большую безопасность для пассажиров.

Таковы в основном те причины, по которым авиастроительная про мышленность активно изучает возможности микро- и нанотехнологий.

Хотя нанотехнологии могут много предложить авиации, и в ближайшее время в этом направлении ожидается ряд прорывов, в настоящее время в са молетах всех мипрвых производителей компании нет ни одной нанотехноло гической разработки. Основной причиной этого видимо является то, что для применения прикладных разработок в аэрокосмическом секторе требуются только зрелые и полностью взвешенные решения. Авиационный бизнес оста ется весьма консервативным и стремится исключить любые риски, связанные с применением новых продуктов, в своих разработках. Особенно это касается гражданского самолетостроения. Для перевозки пассажиров допускаются только проверенные новые технологии. Кроме того, обязательным условием для внедрения новых процессов и материалов в авиастроение является воз можность проведения процессов в промышленном масштабе и приемлемое соотношение стоимости разработки к ее практической эффективности.

Современные самолеты состоят из различных материалов. Кроме обычной стали в элементах конструкции используются легкие металлы, та кие как титан, алюминий и магний. Большими возможностями для создания легких структур обладают метало-волоконные композиты (как, например, многослойный материал из алюминия и стекловолокна) и армированные фиброволокнами полимеры. В последнее время наблюдается тенденция роста использования армированных волокнами пластиков в конструкциях граждан ских самолетов. В основном для армирования используются волокна диамет ром порядка нескольких микрометров. Детали, изготовленные из армирован ных волокнами полимеров, примерно на 30% легче своих аналогов из алю миния и на 50% легче стальных аналогов. В современных гражданских само летах около 20% (по весу) деталей и конструкций изготовлены из армиро ванных пластиков. Ожидается, что этот показатель достигнет значения 50%.

Так, конструкции из алюминия, армированного углеродными нанотрубками, могут стать легче на 60-70% в сравнении с таковыми, выполненными из со временных армированных полимеров.

Преимущества наноматериалов следующие: сверхвысокое соотноше ние прочности к весу материала;


улучшенная прочность, износостойкость и эластичность;

термостойкость, сопротивление усталости, сопротивление пол зучести, повышенная антибактериальная активность, многофункциональ ность материалов, что позволяет уменьшить общий вес за счет снижения числа компонентов.

Наноматериалы могут улучшить свойства практически всех материа лов, которые в настоящее время традиционно используются в самолето строении.

Так, прогнозируемое снижение веса самолетов при замене традицион ных композитных материалов композитами, армированных углеродными на нотрубками, может составить до 60-70% (рис. 6).

Основным препятствием на пути широкого применения углеродных нанотрубок (причем, не только в аэрокосмическом секторе) является то, что широкомасштабном производстве их себестоимость более чем в 10 000 раз превышает себестоимость производства стандартных волокон. Существует и ряд технических проблем, таких как отсутствие методов придания углерод ным нанотрубкам правильной пространственной ориентации, сложности в связывании с полимерным матриксом, и трудности с достижением высокого уровня насыщения матрикса трубками.

Рисунок 6. Композиты на основе армированных нанотрубкамки поли меров (CNTPFR) и армированный нанотрубками алюминий (CNT/Al) в срав нении с композитами на основе армированных фиброволокнами полимеров (IM7 CFPR).

Армированные углеродными нитями полимеры значительно легче алюминиевых сплавов, но при этом могут расслаиваться под большими на грузками. Добавление к таким материалам наночастиц SiO2 на 64% увеличи вает модуль упругости, на 25% повышает их прочность, и на 90% увеличива ет ударостойкость.

Свойства металлов определяются соотношением Халла-Пэтча: чем меньше зерно – тем больше прочность. Нанокристаллические материалы ха рактеризуются крайне высоким пределом текучести, обладают высокой прочностью на разрыв и высокой твердостью. При использовании наномате риалов с малым размером зерна долговечность при усталостных нагрузках может вырасти на 200-300% по сравнению с обычными материалами. Нано структурированные металлы, особенно сплавы алюминия и титана, демонст рируют улучшенные механические свойства, а кроме того являются более устойчивыми к коррозии.

Металлы могут быть армированы керамическими волокнами, такими как волокна карбида кремния, оксида алюминия и нитрида алюминия. Пре имущества таких так называемых «композитов с металлической матрицей»:

высокая термостойкость, низкая плотность, высокая прочность, высокая теп лопроводность, и контролируемое температурное расширение. В будущем такие материалы возможно придут на смену компонентам из магния и алю миния.

Нанофазная керамика демонстрирует высокую прочность и пластич ность, а кроме того характеризуется сниженной температурой спекания. Эти материалы могут использоваться в качестве термозащиты и защиты от окис ления в конструкциях из волоконно-армированных материалах.

Ламинаты, получаемые из алюминия и стекловолокна, сохраняют прочность алюминия, но гораздо легче и меньше подвержены коррозии. К сожалению, производство таких материалов все еще очень дорогостояще.

Степень связывания металлических и волоконных слоев может быть увели чена путем добавления наночастиц.

В самолетах наноматериалы могут в основном применяться в конст рукциях фюзеляжа и в меньшей степени во внутренней отделке салонов. Ос новной областью применения наноматериалов несомненно является фюзе ляж, так как снижение его веса ведет к экономии топлива и снижению его се бестоимости (больше прочность – меньший расход материалов на конструк цию). Другой причиной использования более прочных материалов является повышение уровня комфорта пассажиров. Например, давление воздуха внут ри салонов самолетов поддерживается на уровне давления на высоте при мерно 2.5– 3 км, а не давления на уровне моря. Поддержание давления на уровне моря потребовала бы очень толстого алюминиевого корпуса, что при вело бы к резкому увеличению веса самолетов.

Более прочные материалы позволят создать более ударопрочные об шивки самолетов.

К перспективным идеям относятся разработки самовосстанавливаю щихся материалов. Показано, что наночастицы, диспергированные в мате риале, могут мигрировать к трещинам, что открывает возможности создания самовосстанавливающихся композитов. Так была показана миграция в сто рону образовывающихся трещин сферических частиц оксида кремния разме рами около 5 нм, диспергированных в оксиде кремния.

Использование новых материалов для внутренней отделки самолетов может существенно повысить безопасность полетов. Примером может слу жить использование пуленепробиваемых материалов, например, в обшивке дверей пилотских кабин. Высокая прочность и легкость композитных лами натов (углеродные нанотрубки в составе различных смол) привела к тому, что в настоящее время изучаются возможности их использования в качестве баллистической защиты или в качестве виброизолирующих материалов.

Большую важность во внутренней отделке самолетов имеют огнеупор ные материалы. Высока нужда в материалах, которые при сохранении огне упорных свойств были бы дешевле, чем использующиеся в настоящее время весьма дорогие полимеры. Показано, что при наполнении полимеров наноча стицами в концентрациях уже более 5% по объему значительно вырастают их огнеупорные свойства. С другой стороны, в ряде случаев наночастицы могут вступать в качестве катализаторов процесса горения, поэтому данная область их практического применения требует дальнейшего изучения.

В настоящее время в конструировании существует тенденция посте пенной замены металлических деталей армированными полимерами, причем этот процесс может быть существенно ускорен в случае применения нанома териалов. Кроме того, долговечность самих металлических конструкций мо жет быть существенно повышена применением наноструктурированных по крытий. Примером может служить разработка нанопокрытий для авиацион ных шасси, которые заменят токсичные хромовые покрытия.

Основная задача нанопокрытий – это защита металлов от коррозии, хо тя могут быть и другие причины их применения.

Примером может служить магний, который на треть легче алюминия и на 80% легче стали. Магниевые сплавы широко применялись в прошлом, од нако они очень подвержены коррозии. Для борьбы с коррозией обычно при меняются анодные или конверсионные покрытия. Анодное покрытие значи тельно прочнее конверсионного и лучше защищает от внешнего воздействия, но его высокая себестоимость не позволяет применять его в массовом произ водстве. Конверсионные покрытия на основе хрома гораздо дешевле, но шес тивалентный хром является как канцерогеном, так и загрязнителем воздуха, поэтому всегда стояла необходимость в дешевых альтернативных покрытиях.

Альтернативой могут стать нанокомпозитные покрытия на основе пленок ок сида кремния, которые могут быть экономически выгодными, а также обес печат как надежную защиту от коррозии, так и абразивную стойкость. В авиации также используются антикоррозионные покрытия на основе оксида бора и нанокристаллические кобальто-фосфорные покрытия.

Для восстановления коррозионных повреждений разрабатываются на полненные углеродными трубками смолы. Другими направлениями практи ческих разработок являются более стойкие краски, позволяющие реже пере крашивать фюзеляжи самолетов, покрытия, не проводящие тепло и задержи вающие химические агенты, а также био-наноматериальные покрытия, под держивающие чистоту фюзеляжей от микроорганизмов.

Высокоэффективные композиты на основе полимеров, металлов или керамики могут быть использованы для создания трибологических покрытий самолетов для защиты от высоких температур. Разрабатываются нанокри сталлическиие кобальт-фосфорные покрытия, повышающие износостойкость и снижающие коэффициент трения.

В авиации могут быть использованы некоторые особые свойства по крытий, например, для обеспечения самоочищения поверхностей или само восстановления. Каждая процедура очистки самолета от обледенения стоит порядка 400 тыс. руб. В принципе, возможно очищать самолет ото льда пу тем пропускания электрического тока через тонкий электропроводный слой.

Возможности такой технологии сейчас изучаются в автомобильной промыш ленности для очистки ото льда фар автомашин.

На рынке автомобилей уже присутствуют специальные устойчивые к царапанью покрытия. Исследуются вопросы использования таких покрытий для защиты иллюминаторов самолетов.

Антибактериальные покрытия, содержащие нановключения серебра, уже сейчас используются в изготовлении одежды, для обшивки холодильных камер и в моечных машинах. Изучаются возможности применения таких по крытий в салонах самолетов.

Изучаются возможности использования прочных нанокерамических покрытий для защиты воздушных винтов самолетов.

Для применения в самолетостроении уже запатентованы нанокомпо зитные полиуретановые и фторуглеродные краски. Такие краски значительно более стойки, чем традиционные красители.

В настоящем время существует ряд патентов на нано-краски (нано графиты, нано-тефлон, нано-тальк), которые снижают трение корпусов ко раблей и самолетов, что позволяет увеличить экономичность авиаперевозок.

В современных двигателях в качестве топлива до сих пор используются углеводороды. Снижение расхода топлива ранее в основном достигалось за счет улучшения аэродинамики, снижения веса самолетов, и путем создания более совершенных систем двигателей. Тем не менее, затраты на заправку до сих пор остаются основной статье расходов в авиаперевозках.

Улучшения эффективности двигателей самолетов может быть достиг нуто за счет применения в них новых материалов, которые будут выдержи вать более высокие температуры и давление, станут легче и прочнее, чем по зволят увеличивать рабочие нагрузки турбин.

Использование в двигателях самолетов термостойких наноматериалов может поднять их тяговооруженность почти на 50%, при этом экономия топ лива может достигать 25%.

Наноматериалы могут использоваться для нанесения покрытий на ло патки турбин. В настоящее время ведутся исследования покрытий, и изыски ваются способы их модификаций, позволяющих этим покрытиям более прочно связываться с металлом лопаток турбин двигателей самолетов.

Проводятся испытания нанофазной керамики в качестве использовании ее как покрытий, создающих термический барьер. Улучшенные покрытия могут найти широкое применение в самолетных двигателях, авиационных конструкциях и турбинах. Такие покрытия обычно состоят из внешнего хи мически инертного слоя, помещенного на сопротивляющуюся деформациям подложку, которая способна претерпевать существенные деформации без разрывов. Оба слоя изготавливаются на основе керамики из оксида перовски та.

Ожидается, что повышенная крипоустойчивость, усталостная проч ность, и устойчивость к сульфидированию инженерных компонентов, со стоящих из зерен, значительно повысят время эксплуатации двигателей меж ду капитальными ремонтами.

Благодаря своей высокой удельной поверхности нанопорошки могут быть очень эффективными катализирующими добавками для жидких и твер дых топлив, используемых в аэрокосмической технике. Современные виды топлива могут быть улучшены введением наночастиц, которые позволят по высить температуру горения, способствовать более быстрому высвобожде нию энергии, и сократить задержку поджига топлива. Так, в жидком ракет ном топливе могут использоваться алюминиевые наночастицы, которые улучшат его тяговые характеристики, наночастицы оксида железа могут вы ступать в качестве катализатора в твердых видах топлива, а наноразмерные активные металлы и бороновые наночастицы придают топливам такие свой ства, как высокая температура горения и ускоренное высвобождение энер гии. Однако, нам до сих пор не хватает знаний о важных характеристиках на ночастиц, которые влияют на их эффективность в качестве топливных приса док, поэтому необходимо проведение многочисленных исследований об уча стии наночастиц в процессах горения.

Газотурбинные двигатели самолетов могут использовать различные виды топлива. Более чистые альтернативные виды топлива смогут значи тельно уменьшить выбросы опасных отработанных газов в атмосферу. В на стоящее время активно обсуждаются возможности использования водород ного или криогенного топлив. Проблема состоит как в получении надежного промышленного способа производства водородного топлива, так и в вопро сах его хранения. В этом плане весьма перспективно выглядит использование наноматериалов для хранения как водорода так и ряда жидкостей из-за их высокого соотношения суммарной поверхности к объему.

Наиболее революционным представляется использование электромо торов в качестве двигателей самолетов. Для того, чтобы эти перспективы стали реальностью прежде всего нужно будет разработать сверхвысокоемкие энергонакопители. В частности, предполагается использовать в таких нако пителях сверхпроводящие материалы. Успехи нанотехнологий возможно по зволят разработать экономически выгодные методы промышленного получе ния таких сверхпроводящих материалов.

Применение наноматериалов в авиастроении не органичивается их ис пользованием в качестве конструкционных, напротив, функциональные на номатериалы найдут самое широкое применение, например для создания сенсоров. Кроме обычных химических и оптических сенсоров в конструкции воздушных судов используются десятки других различных датчиков для из мерения скорости, ускорения, местоположения, температуры и контроля воз душных потоков. Так, провода диаметром несколько нанометров очень чув ствительны к малым изменениям электрохимического потенциала. Такие проводники могут стать основой для сверхчувствительных сенсоров газового состава воздуха. Наносенсоры могут использоваться для раннего обнаруже ния возгораний в грузовых отсеках самолетов. Обычно такие сенсоры изго тавливаются на основе оксидов металлов. Подобные сенсоры можно исполь зовать для обнаружения биологических и химических токсичных веществ.

Для определения положения самолетов в пространстве до настоящего широко используются гироскопы. Сегодня появились микроскопические структуры в составе микросхем, которые могут выполнять те же функции.

Можно предположить, что использование наноструктур приведет к еще большей миниатюризации систем ориентации. Нанокристаллические маг нитные железо-германиевые пленки могут работать в составе элементов на эффекте Холла.

Рост использования композитных материалов в элементах конструкций определяет необходимость разработки новых систем контроля их целостно сти, так как традиционные методы контроля металлических конструкций (как, например, испытание методом вихревых токов), не применимы к изоля ционным материалам. Для определения дефектов в современных композит ных материалах могут быть использованы сети нанотрубок или других нано проводников, когда дефект будет обнаруживаться по изменению электропро водности сети. Так, например, компания Airbus занимается изучением пьезо электрических красок на основе свинцово-циркониево-титановых нанопо рошков, хотя в настоящее время эти работы находятся только на стадии ла бораторных исследований. Такие краски в перспективе могут работать как чувствительные сенсоры, реагируя на вибрации или повреждения обшивки самолетов.

В передовых концепциях используется идея применения сетей взаимо действующих друг с другом микро- и наносенсоров. Обсуждаются возмож ности использования таких сетей для мониторинга состояния как самолетов, так и космических аппаратов. В этой связи встает необходимость разработок миниатюрных источников энергии и сетей беспроводных коммуникаций.

Наноэлектронные системы активно разрабатываются для нужд инфор мационно-коммуникационных технологий. Плоды этих разработок можно будет также использовать и в авиастроении. Следует только еще раз отме тить, что авиационная промышленность не является основным заказчиком таких разработок: здесь пальму первенства держит космонавтика, которая к тому же предъявляет гораздо более жесткие требования к весу и функциони рованию в условиях повышенного радиационного фона.

На сегодня, основным коммерческим мотивом развития электронных систем в авиационном секторе является повышение комфортности полетов для пассажиров. Для улучшения услуг развлечения пассажиров во время по лета найдут применение новые плоские экраны и энергосберегающие систе мы хранения данных, в том числе новых плоских экранов на нанотрубках, которые потребляют мало энергии, обладают большими углами обзора и большей яркостью, чем обычные жидкокристаллические дисплеи. Энергоэф фективные и компактные интегрированные нано-электронные системы по зволят развернуть подлинный «рабочий кабинет на борту».

Базовый мотив снижения общего веса воздушного судна также находит свое воплощение в требованиях к современным комплектующим изделиям, как в авиастроении называют «начинку» вздушного судна – от авионики до систем электроснабжения и управления. Так, снижение общего веса самоле тов достигается не только за счет облегчения конструкционных элементов, но может быть получено благодаря замене медной электропроводки пласти ковыми проводами, модифицированными нанотрубками.

На сегодня активно ведутся разработки топливных элементов для бу дущих аэрокосмических аппаратов. Использование в энергоснабжении топ ливных элементов может потенциально сберечь до 1% авиатоплива, что оз начает экономию до полумиллиона килограммов топлива в течение года экс плуатации в расчете на одно магистральное воздушное судно.

Преречень применения наногматериалов в аэрокосмической отрасли открыт. На сегодня очевидны следующие направления, в дополнение пере численным ранее. Среди них: создание и применение новых смазок и безо пасных нано-жидкостей для гидравлических систем авиационных аппаратов;

активные системы шумоподавления на основе микро- и нанотехнологий, что позволит значительно снизить шум, производимый самолетами;

электро управляемое затемнение иллюминаторов без применения механических што рок;

применение органического светодиодного освещения, в том числе с це лью биологических часов пассажиров в соответствие с реальным временем пункта назначения;

Наноматериалы и наноэлектроника будут все шире применяться в кон струкциях воздушных судов. Будущие выгоды от этого видятся в снижении стоимости узлов и конструкций, снижении нагрузки на окружающую среду, и в повышению уровня комфорта для пассажиров.

Космонавтика является стратегическим приоритетом для всех про мышленно развитых стран. Исследования космоса – это давняя человеческая мечта, и современные национальные программы космических исследований часто весьма амбициозны (пилотируемый полет на Марс, исследования кос моса за пределами Солнечной системы). Космические полеты становятся бо лее рутинными, ожидается рост коммерческих запусков, особенно в области коммуникаций, систем глобальной навигации.

Новые технологические решения могут помочь решить встающие на пути развития космонавтики проблемы, однако, новые технологии сталкива ются с традиционными для космических аппаратов ограничительными фак торами: высокий уровень радиационного фона, в котором придется работать новым материалам и устройствам, что особенно касается электроники;

воз действие экстремальных температур и их резкие перепады (например, глубо кого холода при полетах к Марсу, Титану или Плутону и сверхвысоких тем ператур при входе в земную атмосферу);

высокие механические и вибраци онные нагрузки при запуске и посадке космических аппаратов.

Так как различные технологические разработки могут применяться в различных космических миссиях (коммерческие/научные) и на различных типах космических аппаратов (легкие материалы важны как для спутников, так и в конструкциях ракетоносителей), анализ использования нанотехноло гий в космонавтике будет дан по типам технологий:



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.