Pri výrobe automobilov sa používajú polymérne kompozitné materiály pripravené z kontinuálnej polymérnej fázy a dispergovanej fázy, ktorá pozostáva z anorganických alebo organických mikročastíc sférického tvaru, nepravidelného sférického tvaru, doštičiek alebo bifilných častíc, resp. vlákien, tyčiniek a podobne.
Najmenšie štruktúrne útvary, ktoré boli predmetom štúdia klasickej materiálovej vedy, dosahujú rozmery rádovo v mikrometroch (1μm = 10-6 m). Pri časticiach s rozmermi nanometrov (1nm = 10-9 m) a menších časticiach sa už začínajú prejavovať kvantové efekty, ako je tunelový efekt elektrónov, ktoré všeobecná materiálová veda neuvažuje. Príroda pritom už miliardy rokov poskytuje nanotechnológie, pomocou ktorých boli z molekúl aminokyselín vybudované komplexné bielkovinové systémy s nanometrovými dimenziami.
Príkladom sú bielkovinové nanosystémy, v ktorých sú uložené dedičné vlohy. Na rozdiel od techniky prípravy nanokompozitov sú usporiadania dvadsiatich zložiek aminokyselín precízne určené tak, aby riadili štruktúru a funkcie živých organizmov.
Vplyv rozmerov častíc plniva na vlastnosti kompozitov sa prejavuje na povrchu aj vo vnútri štruktúry materiálu.
Polymérne mikrokompozity
Najčastejšie sa v automobilovom priemysle využívali polymérne mikrokompozity, ktoré obsahovali častice plniva s veľkosťou niekoľkých tisícin milimetra slúžiace na zlepšenie mechanických a iných vlastností polymérnych materiálov, ktoré sa používajú pri konštrukcii nosných častí (skeletu) automobilov a nárazníkov.
Príkladom v automobilovom priemysle často využívaných polymérnych mikrokompozitov sú systémy pozostávajúce z polymérnej matrice (epoxid, polyolefíny) plnenej uhlíkovými časticami (sadze, grafit, uhlíkové vlákna, uhlíkové nanorúrky). Vyššie zhodnotenie polymérnych kompozitov umožňuje aplikovanie nanočastíc (nano znamená v gréčtine trpaslík) plnív, ktorých veľkosť je tisíckrát menšia ako v prípade častíc bežne používaných mikrokompozitov, pričom častice nanoplnív dosahujú veľkosť len niekoľkých milióntin milimetra.
Nanotechnológie a automotive
Pozornosť nanotechnológiám sa v automobilovom priemysle vo veľkej miere venuje až v súčasnosti, pričom vznikajú pozoruhodné technologické inovácie. Nanotechnológie sa intenzívnejšie uplatňujú od roku 1986, kedy vyšla kniha Erica Drexlera „Engines of Creation“, ktorá je venovaná možnostiam poskytovaným nanotechnológiami.
Budúcnosť patrí širokému uplatňovaniu konštrukčných materiálov pri výrobe automobilov vyrábaných modernými nanotechnologickými postupmi. Využívaním nanotechnológií sa výrazne zníži hmotnosť automobilu a zreteľne sa zvýši výkon motora, ktorý pripadá na jednotku hmotnosti vozidla a s tým aj akcelerácia, pričom výrazne klesne spotreba pohonných látok.
Konštrukčné materiály vyrobené z nanokompozitov umožňujú dosiahnuť podstatne vyššie mechanické a iné pre aplikáciu dôležité parametre (tepelná a elektrická vodivosť, vodoodpudivosť, tvrdosť, rázová húževnatosť, nehorľavosť). Zmenšením častíc plniva v kompozite na úroveň nanorozmerov sa môžu zabezpečiť dôležité a nečakané vlastnosti konštrukčných materiálov používaných v automobilovom priemysle: nanokompozity poskytujú nové optické vlastnosti, pretože môžu byť transparetné v dôsledku toho, že veľkosť častíc plniva je menšia ako vlnová dĺžka svetla. V prípade nanokompozitov významne vzrastie povrch nanočastíc pri rovnakom objeme ako mali mikročastice, pričom sa získajú u týchto materiálov nové, výrazne vyššie mechanické vlastnosti, ktoré vedú ku podstatnému spevneniu polymérnej matrice a tiež umožnia dispáciu (rozptýlenie energie) pri náraze, resp. sú schopné absorbovať (stlmiť) energiu pri náraze. Nanokompozitné polymérne materiály okrem toho poskytujú nové elektrické vlastnosti ako je elektrická vodivosť, tieniaci efekt, a sú pritom sú silno hydrofóbne (vodoodpudivé) a v dôsledku toho disponujú samočistiacim efektom.
Ak sa nahradia mikročastice plniva v mikrokompozitoch rovnakým objemovým podielom nanočastíc, zvýši sa počet častíc o niekoľko rádov a o niekoľko rádov vzrastie aj ich kontaktná plocha s polymérom na medzifázovom rozhraní polymérna matrica – nanoplnivo. Nanokompozitné polymérne systémy sú konštrukčnými materiálmi budúcnosti, ktoré otvárajú prístup k diverzifikácii polymérnych materiálov bez potreby vývoja nových monomérov alebo polymerizačných technológií. Aplikácia týchto konštrukčných materiálov pri výrobe dopravných prostriedkov (automobilov, lietadiel, lodí, kozmických dopravných prostriedkov) nám umožní dosiahnuť vo všeobecnosti výrazne vyššie úžitkové vlastnosti vyrobených automobilov pri znížení negatívnych dosahov na životné prostredie.
Poďakovanie
Príspevok bol vytvorený realizáciou projektu Centrum pre Materiály, vrstvy a systémy pre aplikácie a chemické procesy v extrémnych podmienkach - Etapa II na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
TEXT/ FOTO Igor Novák
