Giriş: Deniz Pereller Durability Neden Yenilik Talepleri
Deniz pervaneleri gezegendeki en agresif mühendislerden birinde çalışır. Deniz suyu doğal olarak koreatiftir. Yüksek rotasyon hızları yoğun kalibre yaratır - oluşumu ve çelikler iyi bir şekilde betonarme, ancak korozyon etkisi, biyofouling ve Çevrimdışı yüklere ulaşırlar.
Nanomalzemeler - malzemeler atom veya moleküler ölçekde 100 nanometre altında en az bir boyutla mühendisi oldu - tam olarak geleneksel metalik plato platoların zeminlerini kullanarak, nano ölçekli, mühendisler kaplamalar, kompozitler ve yapısal malzemeler, elektrokimyasal saldırıya karşı en yüksek direnç gösteren bir adım sunuyor.
Nanomalzemeler: Deniz Mühendisliğinde Bir Primer
Nanomalzemeler sadece “küçük versiyonları” değildir. Nanoscale, kuantum etkiler ve son derece yüksek bir yüzey kaplama hızı, benzersiz fiziksel ve kimyasal özellikler için ortaya çıkabilir. Örneğin, klor iyonları için birkaç derece zor olabilir.
Deniz pervaneleri için, nanomalzemelerin en ilgili etkileri şunlardır:
- [0]İncreased power and sertlik, katılıkta orantılı bir artış olmadan.
- [FONT:0)Enhanced korozyon direnci yoğun, defeksiz pasif tabakalar yoluyla.
- [0]En iyi aşınma ve erozyon direnci [Dönetici:0) Nano ölçekli tahıl sınırları nedeniyle, enerjiyi parçalayan.
- [FONT:0)Redüktör kattasyonu[Döneticileri)[Döneticileri azaltın ve umutma uyarısını azaltın.
- [FONT=0)Biofouling kontrolü[[Dönetici:0) Nanopartikülleri antimik özelliklerle (örneğin gümüş, bakır oksit) dahil ederek.
Bu özellikler iki birincil rota ile elde edilir: nanomalzeme bazlı kaplamaları mevcut pervane substratlarına uygulamak veya nanokompozit materyalinden tüm pervane bıçağı uygulamak. Her iki yaklaşım aktif araştırma altında ve her biri farklı maliyet, performans ve üretim sonuçları vardır.
Deniz Pereller için Anahtar Durability Challenges
Nanomalzemelerin sorunları nasıl çözdüğüne dair incelemeden önce, limit pervane yaşamını sınırlayan tam bozulma mekanizmaları detaylandırmak önemlidir. Dört baskın zorluk korozyon, cavitasyon erozyonu, mekanik yorgunluk ve biyofouling.
Deniz susu içindeki korozyon
Seawater, öncelikle sodyum klorür ile ilgili olarak yaklaşık% 3.5 oranında çözüldüğü, agresif bir elektrolit haline getiriyor. pereller metalleri hem üniformalı korozyon hem de yerelleştirilmiş saldırılar gibi ısıtılmış, ürpertici korozyon ve galvanic korozyon oranları farklı metallere bağlı olarak (örneğin, bir çelik mil üzerinde bronz pervaniz) ısıtılır.
CavAT Erosion
Cavitation, buhar basıncının altında yerelleştirilmiş baskının azaldığında, yüksek hızlı pervanelere karşı şiddetli bir şekilde çöktüğü buhar balonları oluşturur.Demek, yüz metreden fazla ikinci ve yerel baskıları kaplayarak mikro-bapları da plastik olarak deforme ve materyali ortadan kaldırır.
Mekanik Fatigue
Pereller, motordan yükleri dalgalanmaktadır, yüzeyin bitmesini ve malzemenin doğal yorgunluklarını artırmak için yüzey kabalığı büyük ölçüde güvenli bir şekilde çalışır.
Biofouling
Barnacles, algler ve diğer deniz organizmalar, pervane yüzeylere, artan sürüklemelere, bıçakları bastıran ve tıkayan organizmaların son derece küçük konsantrasyonlarda kontrol edilen serbest biyokitler sağlayarak sınır tabakalarını bozuyor.
Nanomalzemeler Adres Propeller Durability
Nanocoatings ve nanokompositler, farklı fiziksel ve kimyasal mekanizmaların her birini ele alır.
Geliştirilmiş korozyon Direnişi
Nanocoating katmanları - grafiken, nanokristal- nikelfosforus (Ni-P), veya bir ışık bazlı seramik-metal kompozitler - 5 ⁇ m-thick Ni-P kristal kaplama (tipik olarak 10-50 nm) geleneksel kaplamalar ile kıyaslanabilen yüzeylere kıyasla daha fazla kontrol edilebilir.
Bir hexagonal lattice'de ayarlanan tek bir karbon atom tabakası, özellikle de kusurlarının yoğunluğu kadar iyi olduğu için umut vericidir ve tüm gazlar ve iyonlar için uygulanabilirdir - klorür iyonları dahil. Bir grafikte bakır alaşım pervane kalınlığındaki kaplamalar, pervane substratı gibi.
Geliştirilmiş Giysi ve Erosion Direnişi
Cavitation erozyon direnci doğrudan malzeme sertliği ile bağlantılıdır ve enerjiyi fracturing olmadan absorbe etme yeteneği ile bağlantılıdır. Nanoyapılı tırma tırma (örneğin, nano-pamik oksijen) ve nanoseramik-metal bileşikler (cermetler) olağanüstü sertliği gösterir - sık sık sık 1000 HV'nin üzerinde - sertliği çatlak kaplamalara direnmeye direnmeye direnmeye direnmeye direnmeye direnmeye yetecek kadar sertliği korur.
HVOF-sprayed nanoyapılı WC-CoCr kaplamaları kullanan prototipler üzerinde yapılan testler, 500 saatlik bir süre boyunca yapılan işitme maruz kalma süresine kıyasla 100 ila 50 nm) daha pahalı ve şu anda daha küçük pervaneler veya yüksek aşınma uygulamaları sınırlı olsa da, elmas benzeri karbon benzeri karbon benzeri karbonatları (DLC) gömülü nanodiamonds ile kaplamalar ultra yüksek aşınma ve yüksek aşınma direnci sunar.
Artan Güçlü ve Fatigue Life
Metal nanopartiküllerin küçük bir kısmını sertliği ödün vermeden mekanik gücü dramatik bir şekilde geliştirebiliyor. Bu, metal-matrix nanokompozisyonlarının ardındaki prensiptir (MMNCs) Örneğin, sadece 0,5-2 wt% titanyum (TiC) nanopartiküller sayesinde verim gücünü arttırabiliyor.
Karbon nanotüpleri (CNTs) özellikle olağanüstü çekme gücü (~50 GPa) ve yüksek yön oranı nedeniyle etkilidir.CNTs'i bir nikel-aluminum-bronze matrisi, dayanıklılık limitini yükselten bir yük paylaşımı ağı oluşturur.
Kilo Azaltımı ve Hidrodinamik Verimliliği
Nanomalzemeler genellikle güçten ödün vermemektedir. Hafif pervaneler inertia anılarını azaltır, daha hızlı hızlandırma ve decelerasyon sağlar, bu özellikle dinamik konum gemilerin ve deniz gemilerinde değerlidir.Bir polimer nanokompositesinden yapılan bir pervane (örneğin, epoxy karbon nanofiberler ve silik nanopartiküllerle takviye eder) daha düşük kütleli bir meslektaşına kıyasla 30–40 daha hafif olabilir.
Kilo azaltması tamamen mekanik bir fayda değildir. Daha hafif bir pervane daha az kalibre yaratır, çünkü daha düşük inertia, balonun azaltılmasına daha hızlı yanıt verir, balonun yoğunluğunu azaltır. Birkaç ticari yatlar şimdi nanofiller takviyeleriyle kompozit pervaneler kullanıyor, tahmin yakıt tasarrufu 5–8% seyir hızında.
Anti-Fouling Surfaces
Nanoteknoloji iki anti-fouling stratejisi sunuyor. İlk olarak, bir nano ölçekli yüzey dokusu - doğrudan bir kaplamaya ya da inşa edilmiş - biyofilmlerin indüksiz deniz yaşamlarına zarar vermeden önce ortaya çıkmasını engelleyebilir.
Gelişen bir yaklaşım, grafiken oksit nano tabloları biyodegrad edilebilir biyoside taşıyıcı olarak kullanır.Gerçeren oksit yavaş yavaş deniz suyunda, doğal antimik ajanlar serbest bırakmak. Bu teknoloji hala laboratuvar aşamasındadır, ancak erken sonuçlar, barnacle yerleşimlerinde %99 azalma gösteriyor.
Pereller Teknolojisinde Kullanılan Nanomalzeme Türleri
Çeşitli nanomalzeme sınıfları araştırıldı veya zaten deniz pervaner uygulamaları için kullanılıyor.
Karbon bazlı Nanomalzemeler
[FONTS:0)Carbon nanotüpler (CNTs)) - tek veya çok katlı – olağanüstü güç, sertlik ve elektrik iletkenliği sağlar. Polimer-matrix kompozitlerinde, kırık sertliği ve yorgunluk direnci artırırlar, metal-matrix kompozitlerinde, matrixi güçlendirir ve aynı zamanda sürtünmeyi azaltmak için sağlam yağlar olarak hareket ederler.
[FONT=0]Graphene ve grafikene oksit[[DDD) korozyona karşı olağanüstü bariyer özellikleri sunar ve Graphene katmanları atomik olarak incelenir, bu nedenle bir kaplama, uygun ağırlığı ekler.
Nanoceramics ve Hard Kaplamalar
Alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), silikon ışın (SiC), ve nanoyapılı formdaki titanyum nitrit (TiN) termal sprey veya fiziksel buhar kaplamalarında kullanılır (PVD) kaplamalar. Bu malzemeler aşırı sert ve serttir (tipik olarak 1000-2000 HV), mükemmel aşınma direnci ve iyi kimyasal stabilite sağlar.
Nanocomposite Kaplamaları
Bu, nano ölçekli takviyelerle bir matrix (metal, polimer veya seramik) birleştirir. Örneğin, nano-poksi veya nano-parçalı silikon nanoparçacıkları ile birlikte bir nikel-ofayak (Ni-P-SiC) deniz uygulamaları için ticari olarak kullanılabilir. Nanopartiküller sertliği arttırır ve sürtünme katlarını azaltır.
Metal Nanopartiküller
Silver nanopartiküller antimikrobiyal ve antifouling özellikleri için yaygın olarak kullanılır. Bakır ve çinko oksit nanopartiküller ayrıca tin- veya organik-biyocide- bazlı boyalardan daha düşük sağlık ve çevresel endişeler ile biyokitler olarak hizmet vermektedir.Bir sol-gel veya polimer matrix dahil edildiğinde, toksik maddelerden çok uzun süreli koruma sağlarlar.
Üretim ve Entegrasyon Teknikleri
Laboratuvardan nanomalzemeler tam ölçekli bir pervaneye getirmek, ölçeklenebilir, maliyet etkin ve güvenilir olan üretim yöntemleri gerektirir.
Kaplama Süreçleri
[FONT=0) Yüksek yoğunluklu oksijen yakıtı (HVOF) spreyleme[Dönetici:0) nanocarbide ve nanocermet kaplamaları için en yaygın yöntemdir. Süreç zaten yüksek çözünürlükte bir yanma jetine kadar iyi toz verir ve ısıtılır.
[FONT:0)Physical buhar (PVD)) ve [[D:2) Kimyasal buhar (CVD)) ince metal kaplamalar (1-10 μm) son derece kontrollü kompozisyon ve yapı için kullanılır. CVD grafik-zengin veya elmas filmleri genişletebilir.
[FONT:0]Electrodeposition[[[Dönetici metaller ve alaşımlar, düşük maliyetli, karmaşık geometrileri üniformalı bir şekilde kaplamak için düşük sıcaklık yöntemidir. Nickel-t Morgan ve nikel-fosforus nano-tümoylar deniz ortamlarında korozyon koruması için rutin olarak elektrot depolanır.
Bulk Nanocomposite Fabrication
Metal-matrix nanocompo sitesinden yapılan tüm bir pervane bıçağı için, üretim rotası genellikle ısıtılır (HIP) ve sonra da metal metalik (Ce.g.g., alüminyum-bronze) bir miktar nanopartiküller ile karıştırılır, ancak ölçeklenebilirlik bir sorun olarak kalır.
Nanomateryallerle birlikte eklenmiş İmalat
Metal 3D baskı (yönemli enerji dekonusu, DED veya seçici lazer söndürücü, SLM) nanomalzemelerin yakın bir şekilde kullanılmasını ve nanomalzemelerin kesin yerleştirilmesini sağlar. Araştırmacılar, yüksek performanslı bir pervaneler oluşturmak için hala 1 wt% TiC nanopartiküller göstermiştir, yüksek performanslı bir perfüzyon için incelenebilir ve hasarlı bıçakların hızlı onarımı için incelenir.
Meydanlar ve Sınırlar
Açık teknik avantajlarına rağmen, deniz pervanelerindeki nanomalzemelerin benimsenmesi birkaç engelle karşı karşıyadır.
Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet
Birçok nanomalzemeler gerekli saflık ve kalitede üretmek için pahalıdır. CNTs şu anda 50 ila 50 $ 500 $ değerinde tip ve kaliteye bağlı olarak. Graphene aynı şekilde fiyatlanır. HVOF ve PVD kaplama süreçleri başkent ve operasyonel harcamalar ekler. büyük bir ticari gemi için, bir nanoceramic kaplama ekleyerek, sadece genişletilmiş bakım aralığı ve yakıt tasarrufu sadece yatırım dengelemek için kullanılabilir.
Scalability and Consistency
En büyük konteyner gemileri için 100 m2'nin düşük maliyetli kaplama kalitesi - gözenekler, çatlaklar veya non-uniform kalınlığı - aslında yerelleştirilmiş zayıf noktalar yaratarak korozyon ve erozyon davranışları.
Çevre ve Sağlık Endişeleri
Mühendisli nanopartiküller, üretim sırasında ve son derece yaşam boyunca serbest bırakılabilir (örneğin, taşlama veya geri dönüşüm). Karbon nanotüplerin veya bazı metal oksit nanopartiküllerin sağlık etkileri de AB'nin REACH yönetmeliği ve ABD EPA'nın nano özel kuralları gibi, piyasa girişlerini yavaşlatabilecek test ve kayıt gerekliliklerini de gündeme getiriyor.
Uzun Süreli Durability ve Başarısız Modlar
Nanomalzemeler etkili hale getiren çok özellik - e.g., yüksek sert - ayrıca onları farklı başarısızlık modlarına karşı hassas hale getirebilir. Sert bir kaplama, planlanmamış substratlar, yüksek çözünürlükte nanoküplülük için uzun vadeli yorgunluk ve korozyon verilerinin önüne geçilebilmesi için zorlanabilir.
Future Perspectives ve Research Yolları
Önümüzdeki on yıl, nanomalzemelerin, deniz pervanelerinde daha geniş ticari kullanımlara, üretim tekniklerine yol açan, maliyetleri düşüren ve daha katı çevresel ve verimlilik düzenlemeleri görecek.
Akıllı Nanocoatings with Self-Healing Properties
Araştırmacılar, bir çatlak propagates veya pin deliği otonom olarak tamir edebilecek “akıllı” kaplamalar geliştiriyorlar.Bir yaklaşım, mikro- veya nano-kapsulesleri iyileştirme aracı (örneğin, bir sıvı monomer) kaplamaya kadar doldurduktan sonra, çatlakları kırar, polimerize eden ve ihlal eden şifacıları serbest bırakmak. Erken prototipler, yapay hasardan sonra orijinal değerin% 95'ini >95'ine geri getirdiler.
Dijital Twins ve koşullu Bakım ile entegrasyon
Sensörler - nanoyapılı sular veya korozyon sensörleri dahil - doğrudan bir nanokomposite pervane kaplamasına gömülü olabilir. Bu sensörler, yükleme, sıcaklık ve elektrokimyasal potansiyeline ilişkin gerçek zamanlı veriler sağlar. Bir dijital ikiz modelle birlikte, geminin mürettebatı, liman sırasındaki kaplama hayatını ve zamanlama bakımlarını tamir etmek yerine öngörür.
Hibrit Nanomalzeme Sistemleri
Future pervaneler muhtemelen hibrit bir yaklaşımla çalışacaklar: yapısal güç için bir metal veya kompozit substrat, sadece ihtiyaç duydukları pahalı nanomalzeme direnci için bir nanokristal kaplama ve çok fonksiyonel nanoceramic-graphene topcoat for korozyon, aşınma ve fouling protection.Bu tür katmanlı sistemler, pahalı nanomalzemeler kullanarak maliyeti en yüksek seviyeye yükseltti.
Düzenleme ve Standartlaştırma Efforts
Uluslararası Deniz Örgütü (IMO) ve ulusal navies gibi kuruluşlar, nanokürelerin çevresel ve güvenlik değerlendirmelerine yönelik araştırmalarda araştırma yapıyor. Sınıf toplumları (ABS, DNV, Lloyd's) nanomalzeme-enhanced deniz bileşenlerinin nitelikleri ve sertifikasyonu için kılavuzlar geliştiriyorlar.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Nanomalzemeler, mühendisi deniz pervanelerinin nasıl bir paradigma değişikliğini temsil ediyor. Hasarın kök sebeplerini ele alarak - korozyon, cavitasyon, yorgunluk ve fouling – temel maddi düzeyde, daha uzun süre daha iyi performans gösteren potansiyelleri sunuyorlar ve daha iyi bir şekilde, gelişmiş prototip aşamasında olan ve akıllı bakım gerektirir.
Maliyet, ölçeklenebilirlik ve çevresel güvenlik sorunları önemlidir, ancak sigortalı olmayan bir araştırma yatırımı ve endüstriyel ölçekli üretim yöntemlerinin geliştirilmesi, nanomalzemeler deniz mühendisinin araç kutusunda giderek daha standart bir araç haline gelecektir. Bir endüstride emisyonu azaltmak, güvenilirliği artırmak ve varlık hayatını genişletmek için baskı altında, nanoteknolojinin evliliği sadece umut verici değildir - bu önemli hale gelir.
[FONT=0)Dönemli Referanslar: [Dönemli: [Dönemli: 1)
- [0] Deniz korozyon koruması için nanoküplüklerin bir incelemesi[DDDD:0)
- [FONT:0) Deniz sularında korozyon direnci için Grafik kaplamalar (ACS Uygulamalı Malzemeler & Interfaces).
- [0]CavATLIĞI:0) Nanoyapılı WC-CoCr kaplamalarının direnci[DüzgT:1).
- [FONT:0)Nano Teknolojisi deniz pervane kaplamalarında [DÜDÜ:1)
- [FONT-metal matrisleri pervaneler için s.0] (Mühendisler için Maddeler).