Max Home IndustryРеактивные двигатели — одно из самых потрясающих достижений инженерной мысли, когда-либо придуманных людьми.
Но реактивные двигатели не должны быть возможны, говорит Бен Бик, директор по исследованиям материалов в Micro Materials, компании по испытанию оборудования в Уэльсе.
«Поступающий воздух горячее, чем температура плавления металла под ним — что, очевидно, нехорошо», — объясняет он, указывая на то, что этот воздух достигает температуры значительно выше 1000 °C.
Конструкторы реактивных двигателей обошли эту проблему, нанеся на лопатки двигателя жаропрочные керамические покрытия. А теперь исследователи разрабатывают еще более прочные покрытия, которые позволяют двигателям работать еще горячее.
«Если вы заставите его работать горячее, то получите огромную экономию топлива и CO2», — говорит доктор Бик. По его оценкам, повышение температуры всего на 30 °C или около того может сэкономить 8% топлива.
В этом и заключается сила покрытий — они радикально меняют функциональность и возможности базового материала. Мало кто понимает, насколько они важны, но эти покрытия и шпоны могут придать дополнительную мощность высокопроизводительным машинам или гарантировать, что дорогостоящее оборудование выдержит самые суровые условия.
Доктор Бик и его коллеги должны довести покрытия до предела, чтобы увидеть, насколько они надежны или эффективны. Его клиенты не всегда получают желаемые результаты. Он вспоминает, как несколько лет назад сказал производителю ракет: «Мы сломали ваше покрытие». «Они в ярости убежали», — говорит доктор Бик.
Помимо воздействия на покрытия высоких температур, у Micro Materials также есть устройство «дятел» — крошечный алмазный стилус, который многократно постукивает по покрытию в случайных местах, чтобы проверить его прочность.
Недавно фирма работала с британской компанией Teer Coatings над испытанием продукта, который можно было бы наносить на компоненты спутников, включая шестерни и подшипники, используемые в различных движущихся частях.
Это сложная задача, говорит Сяолин Чжан из компании, поскольку покрытие должно защищать такие компоненты как перед запуском (когда они подвергаются воздействию атмосферной влажности на уровне земли), так и на орбите от частиц пыли и радиации в космосе. Тем не менее, она утверждает, что фирма достигла желаемых результатов.
Но помимо защиты космических аппаратов покрытия также могут предотвратить заболевания астронавтов.
Биофилы — липкие скопления бактерий внутри труб — растут быстрее в условиях низкой гравитации, что может стать проблемой для систем водоснабжения или оборудования, перемещающего жидкость на космических станциях или будущих космических кораблях, например.
«Биофилары, как известно, вызывают механические поломки», — говорит Крипа Варанаси из Массачусетского технологического института. «Вам это не нужно».
Профессор Варанаси и его коллеги разработали ряд покрытий, которые делают поверхности скользкими и, следовательно, устойчивыми к образованию биопленок. Испытания одного из таких покрытий в ходе эксперимента, проведенного на борту Международной космической станции, показали, что оно работает так, как и предполагалось.
Идея покрытия заключается в смешивании твердого материала и смазочного материала. Затем это распыляется на внутреннюю часть трубы или трубки, что делает внутреннюю поверхность чрезвычайно скользкой.
Профессор Варанаси ранее попал в заголовки газет, разработав аналогичные покрытия для внутренней части пакетов зубной пасты — чтобы вы могли выдавить всю зубную пасту до последней капли. Он и его коллеги вывели эту технологию на рынок через свою дочернюю компанию LiquiGlide.
Скользкость, возможно, недооцененная характеристика. Нурия Эспалларгас из Норвежского университета науки и технологий и ее коллеги разработали покрытие на основе карбида кремния для оборудования, используемого при производстве или ремонте алюминия.
Это своего рода антипригарное решение для сковородок, что означает, что слои расплавленного алюминия не прилипают к этому дорогостоящему оборудованию. Однако точное функционирование этого конкретного покрытия в настоящее время остается загадкой.
«Честно говоря, мы действительно не знаем, как оно работает, механизм на данный момент неизвестен», — говорит профессор Эспалларгас.
Тем не менее, покрытие доступно для коммерческого использования через ее дочернюю компанию Seram Coatings. Atlas Machine and Supply, американская фирма, которая производит и ремонтирует промышленное оборудование, опробовала его.
«Настоящая выгода заключается в продлении срока службы инструментов и улучшении качества производимой продукции», — говорит Джереми Ридберг, директор по инновациям.
Он говорит, что без покрытия Atlas приходится переделывать роликовые инструменты, которые он использует для обработки алюминия, каждые два дня. Это обходится в 4,5 млн долларов в год. Но новое покрытие означает, что эти инструменты служат целую неделю, а не только пару дней, что сокращает расходы на переделку примерно до 1,3 млн долларов в год.
Покрытия могут творить удивительные вещи, но они не всегда работают так, как задумано, отмечает Энди Хопкинсон, управляющий директор Safinah Group, фирмы, которую часто вызывают для расследования случаев, когда покрытия выходят из строя.
«Сейчас мы видим много проблем с автостоянками, где их пассивная система противопожарной защиты отслаивается», — говорит он, имея в виду огнестойкую краску, иногда наносимую на бетонные конструкции.
Его компания также обнаружила, что покрытия, наносимые на коммерческие суда, не всегда предотвращают прикрепление ракушек и других морских обитателей к корпусу. Эта проблема, известная как биообрастание, увеличивает трение, а это означает, что двигатель судна должен работать интенсивнее — и сжигать больше топлива.
Несмотря на наличие покрытий, которые обещают помочь, судовладельцы не всегда выбирают правильное покрытие для своего судна. Этот выбор должен зависеть от того, куда плывет судно, как долго оно должно простаивать, а не находиться в движении, и так далее, говорит доктор Хопкинсон.
Стоимость устранения таких проблем может достигать многих тысяч или даже миллионов фунтов. «Обычно краска стоит от 1 до 2% от стоимости проекта. Проблема в том, что когда что-то идет не так, расходы становятся экспоненциальными», — говорит Хопкинсон.
Однако исследователи, работающие в этой области, говорят, что все еще есть много возможностей для улучшения покрытий и разработки новых, которые могли бы радикально улучшить производительность машин или инфраструктуры в будущем.