תפקיד ננוטכנולוגיה בביצועים חומריים מחוץ לחוף

מגזר האנרגיה offshore - לעקוף את הפלטפורמות של שמן וגז, טורבינות רוח, ממירי אנרגיה גל צינורות תת ים - משתפות באחת הסביבות הטבעיות האגרסיביות ביותר על פני כדור הארץ.מלח-לאדן, לחות קבועה, לחץ קיצוני שונה, ו- biofouling פתרונות חומרים הנדסיים באופן פעיל לתקוף חומרים מבניים באופן קבוע, כגון צבעים מיקרו-n-תקיקיים וקורוזים, הם מעכבים את הביצועים האטומיים שלהם, ואפילו חומרים אלה ברמה גבוהה יותר, אשר מפעילים באופן קבוע, כלומר, חומרים הנדסית, על פני השטח שלהם, ואפקטיביים, על פני השטח שלהם, על ידי אטומית, על ידי אטומית חומר מכניקה עצמית, על ידי אטומית, על ידי מנגנונים מתקדמים, אשר מופעלת, על ידי מנגנונים מתקדמים, על ידי מנגנונים מתקדמים, כמו מנגנונים מכניקהילה, על פני השטח שלהם, על פני השטח שלהם, אשר מופעלים, באופן קבוע, באופן קבוע, על ידי מנגנונים מתקדמים, על ידי מנגנונים מכניקה מגנטית חומרים הנדסית באופן קבוע, כמו מנגנונים מכניקהילה, כמו מנגנונים מתקדמים, כמו מנגנונים מכניקה של חומרים הנדסית חומרים הנדסית חומרים מנגנונים מתקדמים, כמו אטומית באופן

הבנת ננוטכנולוגיה ב-Nanoscale

ננוטכנולוגיה אינה רק על יצירת דברים קטנים יותר – היא על ניצול התכונות הפיזיות, הכימיות והמכניות הייחודיות שמופיעות ב-Nanoscale. כאשר חומרים גדולים מופחתים לנונו-חלקיקים, היחס החיצוני-לכולום שלהם לנפחים.עבור חלקיק spherical, הגדל מ-10 מיקרומטר ל- 10m מגדיל את שיעור האטומים על פני השטח על ידי גורם עצום של חומרים אלה ראותניים.

ב- nanoscale, אפקטים של הגבלת קוונטית משנים תכונות אלקטרוניות אופטיות. פגמים קריסטל, גבולות דגנים, ופירוק מתנהגים אחרת כאשר ממדים ניגשים לדרך חופשית של אלקטרונים או phonons. בחומרים מבניים, גרגרי בגודל ננו (אלה מתחת 100 nm) מציגים כוח עליון וקשידות עקב מערכת היחסים של Hall-Petch: כגודל דגנים, שבריר גבוהה יותר של גרגרים של גרגרים ממרחקים (ה) משמש לסגסוגת חיצונית, סגסוגת, ללא חומרים כבדים.

יתר על כן, חלקיקים יכולים להיות מפוזרים בדיוק בתוך מטריצה כדי ליצור חומרים מורכבים עם תכונות מותאמות.לדוגמה, הוספת רק 1–2% על ידי משקל של צינורות פחמן (CNTs) ל-epoxy resin יכול להכפיל את המודולים הפוריים שלה ולשפר באופן משמעותי את השבר שלה - קריטי עבור עלייה בים עמוקים וכבלים אמפיריים כי חייב לעמוד בעומס מחזורי.

מפתח ננו-חומרים Enhancing Offshore Performance

תעשיית offshore היתרונות מחבילה של חומרים ננוטכנולוגיה-נצפוד.המסחריים ביותר שפותחו כוללים ננו-קוינגס, ננוקום, ננוספונים ומערכות של פיגור עצמי.כל אחת מהן מתייחסת למצבים מסוימים של כשלים נתקלו בסביבות ימיות.

עקבו אחרי Corrosion and Biofouling Control

קורוזיה היא הגורם הגדול ביותר של השפלה מבנית offshore, עלות תעשיית מיליארדים מדי שנה. ננוורינג מציעים הגנה רב שכבתית. זינקו-עשירים המכילים חלקיקים של אבץ (< 100 n) לספק הגנה קטוודית יותר אחיד מאשר אבק אבץ סטנדרטי מיקרון-ן-גודל.השטח הגבוה של ננו-זנק מבטיח רשת התנהגות רציפה, ומספק אלקטרון לסלע אפילו ציפוי של אבק אבץ בגודל מיקרו-ממדי.

עבור אנטי-בידול, צבעים ביו-קלידיים מסורתיים (למשל, אלה המכילים נחושת או tributyltin) הם בשלב בשל תקנות סביבתיות. ננו-מינג מספק אלטרנטיבה לא רעילה. Surfaces צבע פונקציונלי עם טטניום דו-חמצני (TiO2) חלקיקים, למשל, להפוך photocatalytic תחת אור UV, יצירת מינים תגובתיים כי קרע של קירות מימיים, בנוסף לציפוי מים מחסנים מחסנים מקיפים אלה.

מעבר למניעה, כמה ננו-מכילים משלבים מעכבי קורוזיה או ביוצידס.הכולים האלה - באופן רטיסו ⁇ אחליקה או ננופולים פולימריים - משחררים את המטען רק כאשר מופעל על ידי שינוי ב- pH (כפי שקורה באתר קורוזיה) או על ידי נזק מכני.מנגנון שחרור חכם זה מרחיב באופן דרמטי את החיים ולהפחית את תדירות התחזוקה.

ננוקום ל- Stronger, Lighter Structures

ננוקומביטים להטביע חלקיקים - כגון צינורות פחמן, גרפן, ננוקליות, או ננוסייקה - לתוך מטריצה של מתכת, פולימר או קרמיקה.הרווחים החומריים המתקבלים כוח, קשיחות, ולעתים קרובות תרמי או חשמל מוליכות ללא עלייה פרופורציונלית במשקל.

בסגסוגת מתכתית לשימוש בחו"ל, צינורות פחמן לפעול כמו סיבים מרגיעים. An אלומיניום-CNT מורכב יכול להציג עלייה של 30% כוח רבייה תוך שמירה על ctility.זה חיוני עבור רכיבים כגון מקדחות ומחברים תת-ימיים שבו ירידה במשקל טיפול ולהפחית את צרכי הצפה. Graphene nanoplatelets הראו אפילו יותר פוטנציאל: רק £ 0.5% כדי לחץ על ידי יותר מ- 15% (COPV).

פולימרים מלאים ננוקליות (שכבות אחליקטים) מפגינים תכונות מחסום משופרות כנגד מים וזיהום גז.בעליות גמישות וקווי זרימה, קוים ננו-פוביים כאלה להפחית את התוקפנות של מי הים ואת הרצף של הידרוממנים, מזרזים את הקורטוזינציה הפנימית ואת היווצרות הhydrate.היחס הגבוה של משטחים מסולקים יוצר נתיב מטושטש למולקולות יעילות, ביעילות, הגדלות.

ננוחיות למעקב אחר בריאות חוץ

הידיעה בדיוק מתי והיכן מבנה הוא degrading מאפשר תחזוקה פרואקטיבית ולא תיקונים יקרים של חירום.ננוסנסורים משובצים בציפוי או חומרים מורכבים יכולים לזהות זן, טמפרטורה, pH, או נוכחות של מושגים ספציפיים (למשל, chloride) בזמן אמת.

חיישני זן מבוססי פחמן nanotube הם מבטיחים במיוחד.כאשר משולבים לתוך ממטריקס פולימר, CNTs ליצור רשת מחלחלת אשר התנגדות חשמלית משתנה עם עיוות מכני. A זן שנעשה מ nanocomposite כזה יכול להיות גורם מד 5-10 פעמים גבוה יותר מאשר ממד מתכתי קונבנציונלי, מה שהופך אותו רגיש מאוד למיקרו-cracking.

ננו-סנסורים אחרים מסתמכים על חלקיקים זהב פונקציונליים עם נוגדנים ספציפיים או aptamers. הם יכולים לזהות ביומרקרים הקשורים קורוזיון, כגון זרמי ברזל או סולפיד מימן, בריכוזים של חלק-עשר מיליארדים.מערכות התראה מוקדמת כאלה מאפשרות למפעילים לקבוע התערבות לפני שבורים קטנים הופכים למומים דרך היקנות.

חומרי ההולכה: תיקון נזק אוטונומי

הגביע הקדוש של חומרי הים הוא מערכת מרפאה את עצמה כאשר ניזוק.ננוטכנולוגיה עושה את זה אפשרי באמצעות סוכני ריפוי microencapsulated מבוזר לאורך כל מטריצה. כאשר סדקים, זה קרע את nanocapsules, שחרור מונומר זורם לתוך סדקים ופולימר על מגע עם חלקיקים משובצים.

ההתקדמות האחרונה משתמשת ברשתות פולשניות מלא סוכני ריפוי נוזלי, מחקה מערכות מחזור ביולוגיות.ננופיברים או ננו-בוטיקים לפעול כ conduits, ומספקים את הסוכן הריפוי בדיוק היכן שנדרש.בציפוי פוליאורטן למבנים בחו"ל, מערכות כאלה שוחזרו >80% מחוזק של Tenile לאחר אירוע נזק חד-ימי, לסוכני ריפוי אשר לרפא בנוכחות לחות (cyureacry-based-חמצני) או תגובות שליליות שפותחוכות על ידי תאים אדומים, בעוד שעדיין מופעלות, ישארוכים, הן עדיין מופעלות, לאחר אירוע חד-חמצני, לאחר אירוע אחד.

מכניזם מאחורי שיפור חומרי

היתרונות של ננוטכנולוגיה אינם קסום: הם נובעים מעקרונות מדע חומרים מובנים היטב.שלוש מנגנונים מרכזיים שולטים בשיפור ביצועים חומריים בחו"ל.

מתכות ננוקריסטלליין - אלה עם גדלים דגנים מתחת 100 nm - מציג נקודות כוח מניב כי יכול להיות שלוש עד ארבע פעמים גדול יותר מאשר עמיתיהם coarse-gom-Petch משוואה מתייחס כוח הניבה ( ⁇ y) לקוטר גרגר (ד): ⁇ y= ⁇ 0 + kd-1/2. עבור פלדות offshore המיוצרים באמצעות טכניקות עיוות פלסטיק חמורות (דזה דק יותר, 000), יכול להפחית את גודל זה, 000, 000, 000, 000.

תכונות של ננופליג

ננופלאונים כגון תחמוצת גרפן או montmorillonite יש יחסים מאוד גבוה (היק של - 1 nm, ממדים מאוחר יותר של מאות ננומטרים) כאשר מפוזרים באופן אחיד במריצה פולימר, הם יוצרים נתיב חמקמק למולקולות מסובכות (p / P% של ננוקום יכול להיות קרוב על ידי מודל / nx / 0) אפילו 1 / 0 / 0 / 0 (L) עם ⁇ ) עם מוגבלות קריטית (L) 1 / 0.

התחדשות ומשטחים עצמיים

חלקיקים יש הרבה יותר גבוה של אטומים משטח מאשר חלקיקים בגודל מיקרון.עבור TiO2, חלקיקים פוטואקטיביים מתחת 20 nm להציג שינוי להקה כי משפר ספיגה של אור גלוי, הגדלת פעילות photocatalytic.זה מגיב עם מים vapor כדי ליצור hydroxyl רדיקלים כי חמצון מדבקים אורגניים. בשילוב עם superhydrophobicity (צבעי מגע > 150), נשאר נקי עם משטחים מינימליים של מים.

יתרונות תפעול Offshore

שילוב nanoטכנולוגיה לתוך חומרים offshore מספק יתרונות תפעוליים מוחשיים מעבר פשוט להאטה. היתרונות האלה מורכבים על מחזור החיים המלא של נכס.

(FLT:0) ,Reduced תחזוקה תדירות: Nanocoatings עם תכונות עצמיות או נגד מינוף יכול להכפיל או משולש המרווח בין ייבוש ock או בדיקה מתאימה.
(FLT:0) increaseed Structural Capacity:cioFLT:1 , ננוקום חזק יותר מאפשר עיגולים ארוכים יותר ללא תמיכה צינורות, גבוה יותר מגדל גבוה בטורפות רוח, ועומסים גדולים יותר על פלטפורמות ללא פלדה נוספת.
(FLT:0) שיפור הבטיחות מרג'ינס: ההרחבה ננוסנסטור 1 (Nanosensor) מספקת נתונים רצופים, נפתרים מרחביים על מתח, קורוזיה וטמפרטורה.הנתונים האלה מזינים למודלים של תחזוקה חיזוי, הפחתת הסיכון של כשל קטסטרופלי.
(FLT:0)Extended Asset Lifespan:FearLT:1 על ידי האטת קורוזיה, ללבוש ועייפות, ננוטכנולוגיה יכולה להאריך את חיי השירות של מבנים בחו"ל עד 10 שנים.עבור מתקן ייצור צף של 1B, כל שנה נוספת של פעולה מייצגת כ-200-300 מיליון דולר בהכנסות.
(FLT:0) ציות סביבתיות: ⁇ 1 (לא-biocide Anti-foulating ננו-foulatings) לעמוד בתקנות מחמירות יותר ויותר (למשל, הנחיות הביו-פולינג של ארגון הים הבינלאומי) תוך שמירה על ביצועים.קלות אור מנטרות גם מפחיתות את צריכת הדלק בכלי תחבורה והתקנה, צמצום פליטות פחמן.

אתגרים ושיקולים

למרות הבטחתו, אימוץ ננוטכנולוגיה בהנדסת offshore עומד בפני מכשולים משמעותיים.אלה חייבים להיות מטופלים לפני יישום נרחב הופך להיות אפשרי.

ייצור ועלויות גדרות

הפחתת חלקיקים באיכות גבוהה בגודל של גדלים וצורות עקביות נשאר יקר.לדוגמה, nanotube פחמן חד-פעמי עלות 100-500 $ לגרם, אם כי המחירים נופלים עם תהליכים כימיים בקנה מידה גדול של זיהום כימי. Dispersing ננו-חלקיקים אחיד במריצה ללא הדבקה הוא מאתגר מבחינה טכנית - חלקיקים מועשרים לפעול כמו מחסנים מתקדמים, כמו מילימטרים, כמו מילימטרים מתקדמים, כמו מטריקס.

המגזר offshore הוא שמרני; חומרים חדשים חייב להפגין 10-20 שנים של אמינות במבחנים מואצים.הקמת נתונים לטווח ארוך של חומרים nano-enhanced הוא יקר וארוך זמן, להאט הסמכה על ידי חברות סיווג כמו DNV, לויד של מרשם, ו ABS.

סיכון סביבתי ובריאות

חלקיקים יכולים להיות רעילים אם הם משוחררים לסביבה.כאשר ננו-מדבקות ללבוש או ננו-קומוקוויטים הם מכונה, חלקיקים עשויים להיות מפוזרים או מכווצים לתוך מי הים.FLT:0Studies על אורגניזמים ימיים אורגניזמים ימיים אורגניזמים FLT:1 (למשל, mussels, אצות) הראו כי חלקיקים ופחמי פחמן יכולים לגרום רעילים לסביבה לא תקינה, למרות ריכוזים רלוונטי של חומרים סביבתיים.

עובדים העוסקים חלקיקים בייצור או במהלך תחזוקת הפנים offshore בעיות נשימה וחשיפה דרמטי. גבולות חשיפה לעיסוק nanomaterials עדיין מפותחים על ידי סוכנויות כגון NIOSH. יעיל, ציוד מגן אישי, ופרוטוקולים ניטור הם חיוניים.

סקלאלה וסטנדרטיזציה

הצלחות בקנה מידה מעבדה לעתים קרובות נכשל לתרגם לתחום כי תנאי עיבוד שונים.לדוגמה, פיזור גרפן nanoplatelets ב epoxy resin על ידי משיכת יד תוצאות טובות; אבל קנה מידה ל כור 50,000 ליטר דורש אופטימיזציה פרמטרים כדי למנוע הידרדרות או גירוד מחדש.

יש מחסור בשיטות בדיקה סטנדרטיות להערכת הביצועים של חומרים ננו-ננדסיים בתנאים ריאליים בחו"ל לתקינה (ISO) הוציאו כמה הנחיות (למשל, ISO/TS 80004 עבור ננוטכנולוגיה), אך סטנדרטים ספציפיים בתעשייה עבור עמידות קורוזיה, עייפות וביצועי אש של ננו-קומותיטים עדיין לא מזיקים.

עתיד ה-Nanoטכנולוגיה ב Offshore Engineering

העשור הבא יראה נענוטכנולוגיה מיישומים נישה לשימוש ⁇ בחומרים בחו"ל.מגמות מסוימות מאיימות את המעבר הזה.

(FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות למידה 1FLT) משמשים לתכנון ניסוחים חלקיקים ולחזות את הביצועים שלהם. על ידי בדיקת אלפי יצירות ננו-חומריות אפשריות ב-Silico, החוקרים יכולים לזהות שילובים אופטימליים עבור תנאים מסוימים בחו"ל - כגון ריכוז chloride גבוה, טעינה מחזורית, וקצבי טמפרטורה - לפני סינתזה יקרה ובדיקה.

ננו-חומרים בהשראת ביולוגית מתעוררים.לדוגמה, מחקים את המבנה של nacre (אם-of-pearl) הובילה ננוקומביטים של תחמוצת גרפן ופולימרמן השכבת, המציגים גם כוח גבוה וקשידות.חומרים אלה יכולים לחולל מהפכה בכבדות לחץ ים עמוקים ומחברים תת-ימיים.

מסגרות רגולטוריות מתאמות.הסוכנות הכימיה האירופית (ECHA) דורשת כעת רישום ספציפי של ננו-חומרים תחת REACH. תעשיית offshore, מונחה על ידי חברות סיווג, היא מתחילה לכלול חומרים ננו-הנדסיים בקודי העיצוב שלהם. DNV פרסמה שיטות מומלץ עבור הסמכה של חומרים חדשים המשלבים טכנולוגיות ננו-נו-נפרדות.

במבט קדימה, ההתכנסות של ננוטכנולוגיה עם רובוטיקה וייצור תוספים (3D הדפסה) תאפשר ייצור באתר של חלקים ננו-קודקויים מותאמים אישית. רכיב offshore פגוע יכול להיות סרו, תכונות החומריות שלה ניתחו, תחליף מודפס עם חיזוק חלקיקים בדיוק - כל בתוך כמה שעות באמצעות יחידת ייצור נייד על כלי אספקה.

ננוטכנולוגיה אינה כדור קסם, אבל היא ערכת כלים רבת עוצמה, אשר, כאשר הוא מיושם באופן דרמטי, יכול לשפר את הביצועים, הבטיחות והקיימות של חומרים בחו"ל, תעשיית offshore עומד סף של מהפכה חומרית.

(ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]]] [ה]]], [ה]]][ה]]]], [ה]], [ה], [ה]]]ה'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה']']']']']']']'[ה'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'