Неорганические наноматериалы (стр. 56 )

Частицы миллиметровых и микрометровых размеров склонны к осаждению из дисперсий, а в потоке обладают сильным эрозионным действием. Обычно такие дисперсии содержат более 10 об.% частиц, что приводит к большому расходу энергии при перекачивании и большому сопротивлению системы. Кроме того, их нельзя применять в устройствах с микроканалами.

Микроканалы имеют характеристический размер менее 100 мкм, теплообменники с микроканалами характеризуются высокой поверхностью теплообмена, большой эффективностью, малой массой, невысоким объёмом и массой теплоносителя и гибкостью конструкций. Такие теплообменники на транспорте приводят к существенной экономии горючего, в строительных сооружениях и на производстве (холодильники, системы кондиционирования воздуха) экономят объём зданий.

Для создания наножидкостей применяют металлы (Cu, Ag, Au), сплавы (Al70Cu30), оксиды (CuO, Al2O3 , TiO2, Fe3O4), нитриды (AlN, Si3N4), карбиды (SiC, TiC), углеродные наноматериалы (сажа, фуллерены, наноалмазы, нанотрубки) и композиты, в качестве жидкостей используют воду, этиленгликоль или технические масла.

Для получения наночастиц и последующего изготовления наножидкостей пригодны все или большая часть описанных в предыдущих главах методов. К ним относится, например, восстановление CuSO4∙5H2O в растворе этиленгликоля действием NaH2PO2∙H2O при микроволновом активировании процесса. Наночастицы Cu выделяют также электродуговым диспергированием в среде этиленгликоля или растворов этиленгликоль–вода. Наночастицы Cu размером 10 нм при концентрации 0.3 об.% увеличивают теплопроводность этиленгликоля на 40%, наночастицы размером 100 нм при концентрации 7.5 об.% повышают теплопроводность воды на 78%.

Нередко способы получения наножидкостей делят на две группы: двухстадийные и одностадийные. В первом случае сначала получают наночастицы, затем их стабилизируют в жидкости, во втором, менее распространённом, случае синтез и стабилизация совмещены.

Теплопроводность наножидкостей нелинейно связана с концентрацией наночастиц. Введение наночастиц повышает коэффициент теплообмена при ламинарном и турбулентном движении жидкости, при кипении, но понижает его при естественной циркуляции.

Наиболее существенное повышение теплопроводности (на 160% при концентрации 1% УНТ определённого вида в полимерном масле и на 30–38% при концентрации 0.6–2.0 об.% обычных УНТ в машинном масле, этиленгликоле и воде) достигается при использовании дисперсий функциализованных УНТ или УНТ, стабилизированных ПАВ. Важно, что такие дисперсии не обладают абразивным действием. Особенностью УНТ как теплопроводного наполнителя является то, что на величину эффективной теплопроводности сильное влияние оказывает отношение длины УНТ к их диаметру: чем длиннее трубки, тем в большей степени они повышают теплопроводность дисперсии. Следует также отметить, что повышение степени функциализации снижает эффективную теплопроводность дисперсии.

Добавки Al2O3 повышают критический тепловой поток при кипении воды в большом объёме на 200%. Интересно, что повышение содержания Al2O3 со средним размером 8.0 нм приводит к снижению температуры плавления дисперсии (до -8.5 оС при 6.19 масс.%). Аналогичный эффект отмечен в случае наночастиц TiO2.

Добавки наночастиц Al2O3 при их объёмной концентрации 0.01% способствуют увеличению критического теплового потока на 30%. В то же время уменьшение размеров наночастиц Al2O3 ниже 50 нм приводит к снижению теплопроводности дисперсии, что вызывается рассеянием фононов на поверхности жидкость–твёрдое тело.

У наножидкостей проявляется своеобразный размерный эффект: чем меньше размер частиц, тем выше теплопроводность.

Дисперсии наночастиц понижают коэффициент трения и могут использоваться в качестве эффективных смазок трущихся деталей.

Контрольные вопросы и задания по главе 6.

6.1. Графен и его свойства.

6.2. Морфология, строение и основные свойства углеродных нанотрубок и нановолокон.

6.3. Каковы основные разделы химии углеродных нанотрубок?

6.4. Способы получения углеродных нанотрубок.

6.5. Какие известны виды макроматериалов из углеродных нанотрубок?

6.6. Классификация композитов с углеродными нанотрубками.

6.7. Строение, разновидности и основные свойства фуллеренов.

6.8. Наноалмазы.

6.9. Основные наноматериалы из простых веществ.

6.10. Основные оксидные наноматериалы.

6.11. Стабилизированные дисперсии наночастиц.

Глава 7. Наноматериалы в энергетике

7.1.  Структура энергетики

По прогнозам, с 2005 по 2030 г. годовое потребление энергии в мире увеличится на 50%. Поскольку основной вклад в производство энергии сегодня вносит сжигаемое топливо, при сохранении этой тенденции может резко возрасти объём сбрасываемого углекислого газа и воздействие этих выбросов на экологию планеты. Тенденция может быть изменена при переходе на возобновляемые источники энергии, однако этот переход сдерживается главным образом из-за отсутствия необходимых материалов.

Применение наноматериалов в энергетике позволяет решить многие проблемы, стоящие перед человечеством. Пока это применение довольно ограничено, поэтому часть сведений, приведенных в главе, имеет во многом предположительный характер, поскольку результаты новых разработок раскрываются поверхностно или не раскрываются совсем, многие разработки находятся в стадии НИР или НИОКР, а некоторые – только намечаются. Главной целью при составлении главы явилось освещение основных направлений применения наноматериалов.

Наноматериалы могут применяться на всех стадиях энергетического комплекса: при получиении (генерировании) энергии, её передаче, хранении и использовании (потреблении). 7-1

Генерирование энергии производится несколькими методами. Это традиционная энергетика (гидроэлектростанции, топливные электростанции), атомная энергетика, использование возобновляемых источников энергии (солнечная энергетика, ветроэнергетика и др.). Возобновляемые источники энергии являются частию стратегии устойчивого развития человечества, поэтому часто употребляется понятие устойчивой энергетики.

Примерами применения наноматериалов в традиционной энергетике могут служить перспективные стабилизированные водоугольные дисперсии на ТЭЦ с концентрацией ультрадисперсных частиц до 50–80 мас.% (такие дисперсии из угля любого качества обладают высокой агрегативной устойчивостью и обеспечивают практически 100%-ное сгорание угля), а также катализаторы в нефтепереработке и получении синтез-газа.

Передача энергии предполагает прежде всего использование традиционных линий электропередачи (ЛЭП). Новым направлением является водородная энергетика, предполагающая передачу энергоносителей без потерь по трубопроводам и при полном развитии далеко выходящая за рамки одной этой функции. Водородная энергетика может называться распределённой, поскольку генераторы тока распределяются непосредственно у потребителей.

Накопление энергии включает традиционные методы – гидроаккумулирующие станции и химические источники тока. Источники делятся на первичные – батареи – и вторичные, перезаряжаемые – стационарные и транспортируемые электрические аккумуляторы. Разрабатываются новые методы и средства.

К химическим источникам тока относятся топливные элементы, которые считаются одним из компонентов водородной энергетики, но являются генераторами электроэнергии.

В области потребления энергии главное направление – энергосбережение.

Мировой рынок наноматериалов для энергетики в 2007 г. был весьма скромным и оценивался всего в 200 млн. долл. США, к 2015 г. ожидается его рост до 5 млрд. долл. США, а рост вклада нанотехнологий в энергетику – до 36%. При этом наибольшие доходы будут получены за счет модифицирования процессов преобразования энергии (49%), несколько меньший – накопления энергии (32%) и наименьший – в энергосбережении (19%).

7.2.  Общие применения наноматериалов

Общим для всей энергетики направлением применения наноматериалов можно считать строительство зданий и сооружений, использование новых строительных материалов. В строительстве объектов энергетики ожидается эффективное применение прочных клееных сооружений с использованием упрочненной наночастицами эпоксидной смолы, а также разнообразных антикоррозионных покрытий из нанокомпозитов. Лаки и краски, содержащие наночастицы, продлевают срок службы металлических конструкций. Покрытие стали наночастицами меди уменьшает неоднородность поверхности и снижает концентрацию точек, накапливающих напряжения. Добавки наночастиц в некоторые строительные материалы ведут к снижению потребления материалов.

Конструкционные и функциональные материалы. Предполагается создание новых электропроводных материалов, в частности – нанокомпозитов с повышенной долговечностью и сниженной массой для щеток и статоров электромоторов, наноструктурированных магнитных материалов для сверхскоростных малогабаритных электромоторов и генераторов, наноматериалов для разнообразных сенсоров, жаропрочных материалов для тепловой энергетики.

Направления энергосбережения – переход на экономичные источники света, снижение потерь тепла (в быту – за счёт применения окон со стёклами переменной прозрачности и теплоотражающими свойствами). Существенное значение имеет также повышение срока службы электрических батарей и аккумуляторов.

Нанодисперсные наполнители материалов будут широко использоваться для защиты от электромагнитного излучения.

Перспективны антифрикционные и вибрационностойкие нанокомпозиты, присадки из наночастиц для повышения кпд использования топлива в энергоустановках, в частности – металлоплакирующие присадки. 7-2

Разрабатываются новые виды эффективной теплоизоляции зданий, сооружений и тепловых сетей (например, из микропористых аэрогелей). Применяются стёкла с теплоотражающими покрытиями. Проектируются новые средства утилизации низкопотенциального тепла. Большое внимание уделяется повышению кпд электромоторов (в частности, за счет снижения потерь из-за трения при использовании наномодифицированных смазочных материалов) и светильников. 7-3

Снижение потребления энергии будет достигаться за счёт применения новых сверхпроводников в двигателях и генераторах.