הקדמה: אימפולס הכדאיות בציוד נמרץ

ציוד רב-שימושי כדי לרכז איזוטופים ספציפיים או חומרים נפרדים בתעשיות החל ייצור דלק גרעיני לייצור תרופות מתקדמות - משתפות תחת כמה התנאים התובעניים ביותר בהנדסה תעשייתית. Components כגון צנטריפוגות, גז-דפיוזציה גז, מתנפחים לאחור, וספקי אבטחה כימיים עומדים בפני חשיפה מתמדת לחלקים, טמפרטורות גבוהות, מכופות, כמו חומרים מכניים ופציעות קשות, לחץ כלכלי, כל כך, תחליפיות, ומחסור קבועות, וכימיקלים, הן אקטיביות, הן תחליפיות, ופציעות קשות, הן אקטיביות, ומחסור קבועות, ומחסור, ומחסור, הן תחליפיות, הן תחליפיות, הן תחליפיות, וכימיקליות, הן חמורות, הן תחליפיות, ופציעות קשות, ומחסור קריטיות, הן תחליפיות, ומחסור קריטיות, הן אקטיביות, ומחסור קריטיות, הן תחליפיות, הן תחליפיות, ופציעות מכניות, וכימיקליות, הן תחליפיות, ומחסור קבועות, הן תחליפיות, הן טמפרטורות מכניות, וכימיקלים, טמפרטורות מכניות, ומחסור קבועות, כל לחץ רציניות, וכימיקליות,

חומרים קונבנציונליים כמו נירוסטה פלדה, סגסוגת אלומיניום, ופולימרים תעשייתיים הגיעו לעתים קרובות לתקרת הביצועים שלהם ביישומים אלה. לדחוף מעבר לגבולות אלה, חומרים מדענים פונים לשיעור מתפתח של חומרים שהונדסו בקנה מידה האטומי: ננו-חומרים.על ידי מניפולציה חומר בממדים מתחת ל -100 ננומטר, החוקרים יכולים לפתוח תכונות - למעט כוח כימי, אינטונציה תרמית, התנגדות ללבוש - כי לא יכול לספק חומרים פונקציונליים רגילים כדי לשפר את איכות חיים משולבת, כדי לשפר את רמת תחזוקה.

הבנה של ננו-חומרים: הגדרות וסוגים מרכזיים

ננו-חומרים מוגדרים כחומרים שבהם לפחות מימד אחד נופל בטווח הננוקל (1–100 ננומטר) בקנה מידה זה, קוונטים ואפקטי פני השטח שולטים, ומהווים עלייה בהתנהגויות מכניות, חשמליות וכימיקליות שונות באופן בסיסי מאלה של אותו חומר בצורת רובית.יחס פני השטח הגדול-שטח-שטח-שטח-לנפח פירושו ששבריר גדולה יותר של אטומים שוכנים על פני השטח, שם הם פעילים יותר ויותר עם הסביבה הכימית והמקיפה מאוד.

כיתות נפוצות של ננו-חומרים המשמשים בבקשות לשינוי

  • (FLT:0) חלקיקים: FLT:1 חלקיקים מעוצבים באופן לא סדיר (למשל, תחמוצת מתכת, פחמן שחור, סיליקה) משמש כממלאים בציפויים ומורכבים כדי לשפר את הקשידות, התנגדות של שחיקה, ו מוליכות תרמית.
  • (FLT:0)Carbon Nanotubes (CNTs): irph:1 מבנים Cylindrical של אטומי פחמן עם כוח רב-קרקעי יוצא דופן (עד 100 פעמים של פלדה) ויחסי היבטים גבוהים. CNTs משולבים לתוך פולימר או מטבול קרמיקה כדי ליצור משקל, ננו-קומיטים קשים.
  • (FLT:0)Graphene ו Graphene Oxideib:FLT 1 1-atom-thick הסדינים של פחמן המציעים אי-נוחות, כוח גבוה ותכונות מחסום מצוינות.
  • (ב) [ה]0] ניב ו[[המאה ה-20]]: [[המאה ה-1]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]
  • (FLT:0)Nanowires ו ננונופיברים: אנדרל 1 (High-aspect-ratio) מבנים המשמשים לחיזוק קרמיקה ומתכות, הגדלת קשיות שבורות והתנגדות עייפות.
  • <חזק>Nanofilms ו ננווטים: שכבות רזה (לעתים קרובות < 1 μm) שהופקדו באמצעות טכניקות כגון פיזור כימי (CVD) או מחיקה פיזית (PVD) חומרים ננו-מחדש נפוצים כוללים פחמן דמוי יהלום (DLC), אלומיניום, nitride, ו- titanium דו-חמצני.

למה ננומטרי נכסים חשובים עבור יכולת

הכוח המדהים של ננו-חומרים נובע בחלקו מהאפקט הול-פטר: ככל שגודל הדגנים יורד, צפיפות הגבולות של דגנים עולה, מעכבת את תנועת פירוק הפירוק ובכך מעלה כוח התשואה. כאשר גודל דגנים נופל מתחת ל-10 ננומטר, עם זאת, מנגנוני עיוות חלופיים כגון עומסי גבול דגנים צוללים ו- diffusion מצמרר יכול להפוך פעיל, הדורש עיצוב זהיר.

מכניזם של שיפור יכולת באמצעות ננו-חומרים

ננו-חומרים משפרים את תוחלת ההעשרה של ציוד ההעשרה באמצעות מספר מנגנונים נפרדים, לעתים קרובות פועלים בתיאום.הבנת המנגנונים האלה מסייעת למהנדסים לבחור את הפתרון הננומטרי הנכון לכל רכיב.

חביתים והתנגדות

בתהליכי העשרה כמו גז צנטריפוגה או אבקה אחבינג, חלקיקים מוצקים יכולים לשקוע משטחים במהירויות גבוהות. nanocoatings קשיח כגון DLC, ברון מעוקב, או ננוקום שכבות (למשל, TiN / S3N4) מציגות קשיחות גבוהה יותר מ -30a - וחיכוך נמוך של זה להפחית סובלנות נגד חומרים נוגדי חמצון הוכחו על ידי משככי כאבים.

הגנה על קורוזיה

העשרה כימית (למשל, מיצוי או חילופי ion) כרוכה בחומצות אגרסיביות, בסיסים או פותרים אורגניים. ציפויי מחסום מאובנים, במיוחד אלה משלבים גרפן או הידרוקסידים כפולים שכבתיים, לספק חוסר יכולת נמוך מאוד לסוכני קורוזיות (למשל, ציפוי גרף 10nm-thickene יכול להפחית את קצב ההאקרות של שלושה צווי ניקל בגודל של גירוי עצמי (Ocrecereceic) המכילה-astrating ⁇ ).

עייפות מכנית ונפיחות

מרכיבים רוטינג כגון צנטריפוגה רוטורס חווים מתחים מחזוריים שיכולים ליזום סדקים לאחר אלפי שעות.הוספת רק 1-2 אחוז משקל של צינורות פחמן מבוזרים אחידים או ננו-אלמינה למתכת או ממטריקס קרמיקה יכול להכפיל את חיי העייפות על ידי מעצר סדקים ב nanoscale.

נכות תרמית ופירוק חום

ציוד רב עוצמה פועל לעתים קרובות בטמפרטורות גבוהות (למשל, 300-600 מעלות צלזיוס עבור הפרדה גז מסוים) ננו חומריות עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון CNTs ( ⁇ 3000 W / mK) או גרפן ( ⁇ 5000 W/mK), ניתן לשלב לתוך ציפויים תרמיים מחסום כדי להתרחק משטחים קריטיים, למנוע מוקדם או השפלה תרמית.

יישומים ספציפיים בציוד

השילוב המעשי של ננו-חומרים לחומרת ההעשרה כבר מאיץ, מונע על ידי הישגים אמיתיים בעולם והורדת עלויות הייצור.

גז Centrifuge Rotors

בהעשרה אורניום באמצעות צנטריפוגות גז, הספיןאוף ספין במהירויות סופר-קולוניות, ואפילו חוסר איזון קטן יכול להוביל לכישלון קטסטרופלי.חומרי הרוטב של ננוקום - למשל, פולימרים בעלי כוח פחמן-פחמן עם CNTs מוטבע - מול נוקשות ועוצמה ספציפיים יותר, המאפשרת סיבוב מהיר יותר ללא עונש משקל.

המונחים: Isotope Separation

ההיתוך גז-דפי מבוסס על membranes ⁇ כדי להפריד איזוטופים על ידי משקל מולקולרי.ננו בנוי membranes - כגון אלה שנעשו מ zeolites או מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) שהופקדו כמו סרטים דקים על ⁇ תומך ⁇ - יותר מבוקר גדלים (< 1 nm) ונפיחות גבוהה.

Valves ו- Seals in Chemical Enrichment

קומפלקסים כגון שסתום כדור, O-rings, ו-Firesh חותמות צמחי העשרה כימיים סובלים מלחיצת קרום וקורטוזיבית.Nanomaterials לשפר את החלקים האלה באמצעות הנדסה על פני השטח: מושבים שסתום המצופה עם tungsten carbide nano-structured או alumina להראות קשיחות מתקרבת זה של היהלום, בעוד חותמות המבוססת על פלואופולמרנים מתחזקת עם ננו-מנקה מחדש של חיי דלקת בלחץ פעיל תחת לחץ על ידי לחץ דם בלחץ פעיל תחת לחץ דם בלחץ פעיל בלחץ אווירי.

התאמות ו Piping

פני השטח הפנימיים של צינורות וכלי שיט אשר נושאים סלילות תהליכים או גזים יכול להיות מוגן על ידי ציפוי nanocomposite ריסס ריסוס תרמי (למשל, Al2O3-TiO2 עם CNT תוספות) ציפויים אלה להפחית את שיעור השחיקה על ידי גורם של 5-10, מצמצם את הסקאלה, ויכול להיות reapplied במהלך סיבובים מתוכנן.

יתרונות תפעוליים: מחיסכון בעלויות ועד לקיימות

הפריסה של ננו-חומרים מתרגמת ליתרונות תפעוליים בלתי ניתנים למדידה מעבר להרחבה פשוטה של החיים של הרכיב.

  • (FLT:0) החלפת אי-פיבוד אינטרוולים: איורים: 1:1 עם שולי לבוש גבוהים יותר וקורוזיון, ציוד יכול לפעול בבטחה יותר זמן בין בדיקות מבוססות תנאים, צמצום זמן לא מתוכנן.
  • (FLT:0) צריכת האנרגיה של לואוור: 1.FLT:1 הפחתה של ננו-הננות על פני השטח של מגע קריטי מורידה את התוספת הנדרשת כדי להניע מכונות רוטטות, תשואות אנרגיה של 5 עד 10%.
  • (FLT:0) ,Reduced Materials: FLT:1 מרכיבים ארוכים יותר פירושו פחות תחליף, חיתוך עלויות ישירות ואת טביעת הרגל הסביבתית של ייצור וסילוק.
  • (הדגשה:0) יעילות התהליך: ייצוב: ננו חומריים (Nanomaterials) מסייע לשמור על סובלנות הדוקה והשלמת פני השטח, למנוע סחף ביעילות הפרדה לאורך זמן.

יתרונות אלה תורמים ישירות לעלויות הכוללות בעלות (TCO) הפחתה.לדוגמה, צמח העשרה מודרני עם עשרות צנטריפוגות יכול לחסוך מיליוני דולרים מדי שנה על ידי הרחבת מרווחי חילוף רוטורים מ 8 עד 12 שנים באמצעות שדרוגים ננו-קומפוביים וננו-פוביים.

אתגרים ומחקר גבולות

למרות היתרונות המשכנעים, אימוץ נרחב של nanomaterials בציוד העשרה עומד בפני כמה מכשולים כי מחקר מתמשך עובד כדי להתגבר.

ייצור ו Scalability

ננו-חומרים עם איכות עקבית וכולים תעשייתיים עדיין יקרים. ⁇ כימית של CNTs, למשל, דורש טמפרטורות גבוהות ואקום, תוך כדי נסיעה של עלויות ייצור רציף - כגון סינתזה מחוסמת מיקרוגל או כורי מיטה נוזליים - הם אופטימיזציה לייצר כמויות של חלקיקים במחירים תחרותיים.

בקר ב-FLT:0) יוזמת הננוטכנולוגיה הלאומית של ננוטכנולוגיה 1FLT 1 לקבלת מידע נוסף על סדרי עדיפויות המחקר הננו-חומריות של ארה"ב.

בריאות, בטיחות ודאגות סביבתיות

חלקיקים מסוימים ניתן לחדול או נספג דרך העור, וכמה (למשל, תחמוצות מתכת מסוימות וננו-רשתות פחמן) הראו השפעות ציטוטוקיות או דלקתיות במחקרי מעבדה.בצמחים להעשרת צמחים, את המכלול של ננו-חומרים במהלך היישום, התפעול, וסילוק החיים הסופי הוא קריטי.פיתוח ציפויים לא רעילים (למשל, bio-based-ose) ויישומים פעילים של פעילות גופנית (CRACRAC) של פעילות גופנית (CRACRAC) יש צורך בהנחייתם של פעילות גופנית (CRACRACRACRACRACRACRACRACRACRAC) של אזורי בקרה כימית (CRACRA) ויישומים) של תאים) אשר יש צורך בהנחייתם של חומרים כימיים (CRAD) ויישומים (CRAD) של תאים) של פעילות (כלומר, אשר יש צורך בהנחייתם של תאים פעילים (CRADIC) ויישומים (תאמת) של תאים , אשר יש צורך בהנחייתם של תאים פעילים (תאמת) של תאים הנדסת בקרה קפדנית של תאים ביולוגיים של תאים) אשר יש צורך בהנחייתם של תאים) אשר יש צורך בהנחייתם של תאים פעילים (CRACRACRA

(ב) עיין ב[[1924]] ב[[1924]], [[1924]]]]

סטנדרטיזציה ובדיקה

ללא שיטות בדיקה סטנדרטיות, קשה להשוות ביצועים ננו-חומריים על פני ספקים או לחזות עמידות ארוכת טווח. ארגונים כמו ASTM International ו- ISO מפתחים סטנדרטים עבור אופי ננו-חומרי, כולל פרוטוקולי בדיקות (למשל, ASTM G133 עבור לבישת התחדשות ליניארית) ובדיקת קורוזיה בסביבות תהליך מסימולציה.

שילוב עם Legacy Systems

החלת ציוד העשרה קיים עם פתרונות nanomaterial חדשים לעתים קרובות דורש הכנה משטח זהירה, נהלי יישומים מוסמכים, ואימות כי תוספים אינם להפריע לכימיה הפרדה.מחקר לתוך צינורות הערכה עצמית (חכם) שיכולים לדווח על הציפוי באמצעות חיישנים מוטבעים מתחיל לטפל באתגרים שילוב אלה.

תחזית עתיד: ננו-חומרים חכמים ו- Digital Twins

במבט קדימה, ההתכנסות של ננו-חומרים עם טכנולוגיות דיגיטליות מבטיחה להפוך את ניהול עמידות ציוד להעשרת ציוד ציוד. nanocoatings חכם המכיל חיישנים ננומטריים (למשל, דואטים קוונטיים או רשתות פחמן ננו-tube) יכול לפקח באופן רציף על טמפרטורה, מתח, או התקפה כימית, מתן נתונים בזמן אמת עבור אלגוריתמים של תחזוקה חיזוי.

בחזית החומרים, MXenes (2D מעבר מתכת carbides ו nitrides) מתעוררים כמעמד חדש של ציפויים עמידים, התנהגות עם כימיה משטח טונה.מבנה השכבות שלהם יכול בין סוכני הגנה או תרכובות ריפוי, פתח את הדלת לתקני תיקון אוטונומיים.בינתיים, מחקר לתוך חומרים ממונעים תפקודיים (FGM) עבור סנטיפוגה ופרקים פנימיים נוספים כדי להרחיב את פני השטח החיצוני כדי להזיזו את החלל החיצוני.

שיתוף פעולה בין מדענים חומריים, מהנדסי תהליכים וגופים רגולטוריים יהיה חיוני להתגבר על מחסומים הנוכחיים.פיילוט בתחום ההעשרה הגרעינית, כגון אלה הנתמכות על ידי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (ראה:0IAEAIRFLT:1), לספק נתונים בעלי ערך על הביצועים ארוכי הטווח של ננו-חומרים בתנאים תפעוליים אמיתיים.

מסקנה

ננו-חומרים מייצגים ערכת כלים רבת עוצמה לשיפור עמידות חומרית בציוד העשרה.על ידי ניצול המאפיינים הייחודיים של חלקיקים, ננו-tubes וננו-מחדש, מהנדסים יכולים לשפר באופן משמעותי את ההתנגדות ללבוש, הגנה על קורוזיה, כוח מכני ויציבות תרמית - כל מיתרגם לתוך חיי ציוד ארוכים יותר, עלויות תחזוקה נמוכות יותר, ושיפור אמינות התהליך, בעוד שנוגעים לייצור, בטיחות, וסטנדרטיות נשארות אסטרטגיות אינטגרציה מהירות, הן שיטות רגולציה, שיטות רגולציה, אינטגרציה חכמות, שיטות רגולציה, שיטות רגולציה, שיטות רגולציה, הן שיטות רגולציה רחבות יותר.

עבור מפעילי ומהנדסים ניהול מתקני העשרה, המסר ברור: הקפיצה הבאה של עמידות ציוד יושג ב nanoscale. Investing במחקר ננו-חומרי ואימוץ מוקדם עכשיו יכול לתת יתרון תחרותי ביעילות, בטיחות וקיימות.עתיד של ציוד העשרה הוא לא רק גדול יותר או חזק יותר - הוא קטן יותר, חכם יותר, ועוד יותר, ננומטר אחד בזמן.

לקריאה נוספת על יישומים ננו-חומריים מעשיים בציוד תעשייתי, ראה את המאמר "Nanomaterials for Wear and Corrosion Protection" זמין באמצעות פלטפורמת FLT:0 ScienceDirectcioFLT:1.