Нанотехнология в машиностроении

НАНОТЕХНОЛОГИЯ 
В МАШИНОСТРОЕНИИ

Г.М. ВОЛКОВ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебника для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по укрупненной 
группе специальностей и направлений 15.04.00 «Машиностроение» 
(протокол № 10 от 27.05.2019)

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНИК

УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73
 
В67

А в т о р:
Г.М. Волков, доктор технических наук, профессор Московского политехнического университета 
Р е ц е н з е н т ы:
В.С. Панов, доктор технических наук, профессор Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»;
М.В. Вартанов, доктор технических наук, профессор Московского политехнического университета

ISBN 978-5-16-014405-4 (print)
ISBN 978-5-16-106920-2 (online)
© Волков Г.М., 2019

Волков Г.М.
В67 
 
Нанотехнология в машиностроении : учебник / Г.М. Волков. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 307 с. — (Высшее образование: Магистратура). — 
DOI 10.12737/textbook_5cee6a340faa65.16403052.

ISBN 978-5-16-014405-4 (print)
ISBN 978-5-16-106920-2 (online)
В учебнике рассмотрены теоретические основы и технологические приемы 
реализации уникальных свойств наноразмерного состояния вещества в машиностроении. Представлена классификация производственной продукции 
нанотехнологии. Приведены примеры реализации уникальных свойств материалов данного класса в машиностроительной продукции с потребительскими 
свойствами выше мирового уровня. Рассмотрены теоретические основы конструирования и технологии производства метаматериалов, которые являются 
логическим продолжением и следующим этапом развития традиционного наноматериаловедения. 
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов магистратуры вузов машиностроительного профиля. Может 
быть полезным инженерно-техническим работникам в качестве вводного курса 
в научно-техническое направление «Нанотехнология» для использования материалов нового поколения в процессе разработки машиностроительной продукции.

The textbook discusses the theoretical foundations and technological methods of 
implementing the unique properties of the nanoscale state of matter in mechanical 
engineering. Examples of the implementation of the unique properties of materials 
of this class in engineering products with consumer properties above world level 
are given. The theoretical foundations of the design and production technology of 
metamaterials, which are a logical continuation and the next stage in the development 
of traditional nanomaterial science, are considered.
Complies with the requirements of the federal state educational standards of 
higher education of the last generation.
For students of a magistracy of high schools of an engineering profile. It may 
be useful for engineering and technical workers as an introductory course in the 
Nanotechnology scientific and technical area for using new generation materials in 
the development of engineering products.
УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73

Введение

Качество жизни человека во многом зависит от совершенства 
технических устройств различного назначения. Между тем сама 
возможность разработки конкурентоспособной техники требует 
определенных материаловедческих предпосылок. Дальнейшее развитие техники предъявляет к материалам повышенные требования, 
которым традиционные материалы во многих случаях не соответствуют, а потенциальные возможности традиционных производственных технологий для улучшения потребительских свойств выпускаемых материалов ограничены.
Анализ экспериментальных работ по модификации наиболее 
широко применяемых в машиностроении металлических материалов показывает, что традиционные способы повышения их технических характеристик путем эмпирического подбора легирующих 
элемен тов и использования термического, химико-термического, 
термомеханического и многих других способов обработки практически исчерпали себя. Возможный успех технологических проектов 
по многократному повышению прочности материала блокируется 
столь же резким снижением пластичности. Аналогичные проблемы 
с повышением уровня свойств конструкционных материалов отмечены и в других областях материаловедения.
Между тем развитие техники предъявляет новые повышенные 
требования к материалам. Для преодоления отмеченного технологического тупика в процессе создания современных материалов, 
работоспособных в экстремальных условиях эксплуатации новой 
техники, следует обратиться к достижениям фундаментальных 
наук. Предлагаемое решение основано на реализации потенциальных возможностей наноразмерного состояния вещества в потребительских свойствах нетрадиционных для отраслей массового 
машиностроения материалов нового поколения.
При этом материаловедение использует все более сложные 
для восприятия студентом основные положения фундаментальных 
наук. Это неизбежно затрудняет формирование содержания 
учебной литературы по дисциплине «Нанотехнология в машиностроении» для подготовки специалистов технического профиля. 
Автор, понимая сложность такой задачи и учитывая все многообразие используемых в технике материалов, попытался в общем 
виде отразить главные особенности состава, структуры и свойств 
наночастиц, нанопокрытий и объемных наноматериалов, показать 

основные проблемы их практического применения и пути реализации потенциальных возможностей перспективных наноматериалов.
Рассмотрены также теоретические основы конструирования 
и технологии производства метаматериалов, которые являются 
логическим продолжением и следующим этапом развития традиционного наноматериаловедения. Представлена классификация 
метаматериалов и приведены примеры практической реализации 
их уникальных свойств в технических устройствах в машиностроении, научном приборостроении, электронике, оптике и др., 
а также в таких экзотических областях, как создание эффектов невидимости и виртуальной телепортации материальных объектов.
Автор надеется, что фактические сведения по заявленной теме 
учебника, субъективно отобранные им на основе личного опыта 
создания принципиально новых материалов из огромного массива 
публикаций в периодической печати и трудах научных конференций различного уровня, объективно представляют собой практический выход напряженного труда многих коллективов ученых 
в самых передовых областях новой техники.
Отметим, однако, что не все рассматриваемые в учебнике материалы вполне освоены, а их технология не доведена до промышленной стадии производства. Указанные материалы так и не вышли 
из лабораторной стадии исследования и нельзя ожидать их практического использования в течение нескольких ближайших лет. 
Возможно также, что некоторые из этих разработок не оправдают 
возлагаемых на них надежд. Вместе с тем подчеркнем, что развитие 
нанотехнологии как перспективного направления создания принципиально новых материалов с техническими характеристиками, 
многократно превышающими существующий уровень свойств, 
будет оказывать положительное влияние практически на все сферы 
производственной деятельности.
Для лучшего усвоения и закрепления основных теоретических 
положений предлагаемых технологий и практического приложения 
их к созданию машиностроительных материалов нового поколения 
автор считает необходимым предварительное изучение студентами 
физико-химических основ производства традиционных материалов 
и способов оценки их технических характеристик. Данное положение нашло отражение в последовательности изложения представляемого учебника.
Основой учебника является дидактический материал, используемый автором в течение многих лет для проведения занятий 

со студентами магистратуры в Московском политехническом университете.
Успешное освоение учебного пособия предполагает удовлетворительное знание обучающимися основ естественно-научных дисциплин «Физика», «Химия» и общеинженерных дисциплин «Материаловедение», «Сопротивление материалов» и «Технология 
конструкционных материалов» на уровне бакалавриата.
В результате освоения учебника обучающийся будет:
 
– знать теоретические основы формирования уникальных 
свойств наноразмерного состояния вещества;
 
– уметь использовать теоретические знания для разработки 
инновационных проектов по реализации принципов нанотехнологии в технических устройствах и технологических 
процессах;
 
– владеть навыками анализа процессов получения нанообъектов и их компактирования.

Foreword

The quality of human living is depending a lot on how perfect are 
technical devices of different purposes. However the possibility of developing competitive equipment itself needs an understanding of material science. Further development of the equipment is increasing 
requirements for materials. Traditional materials do not feet these requirements in many cases. Potential capabilities for increasing of consumer properties are limited for traditional manufacturing technologies.
An analysis of experimental works on a modification of the most 
widely used in engineering the metallic materials, shows that traditional 
ways of increasing its technical specifications by an empirical selection of alloying elements and using thermal, chemical-thermal, thermo 
mechanical and many other ways of processing are almost exhausted. 
When strength is increasing many times, plasticity is decreasing simultaneously. The possible success of technology projects is blocked 
by that. Similar problems with properties of construction materials increasing are occurring in other areas of materials science.
Meanwhile, the development of technology presents new high demands on materials. To overcome the marked technological deadlock 
in the process of creating modern materials that are operable in extreme conditions of operation of new technology, one must turn to the 
achievements of the fundamental sciences. The proposed solution is 
based on realizing the potentialities of the nanoscale state of matter in 
consumer properties of new generation non-traditional materials for the 
mass machine building industries.
To do this, materials science is forced to use the main provisions of 
the basic sciences increasingly more complex for the perception of the 
student. This inevitably makes it difficult to form the content of the 
educational literature on the discipline «Nanotechnology in Mechanical 
Engineering» for the training of technical specialists. The author, understanding the complexity of such a task and taking into account the 
diversity of the materials used in the technique, attempted in general 
to reflect the main features of the composition, structure and properties 
of nanoparticles, nanocoats and bulk nanomaterials, to show the main 
problems of their practical application and ways to realize the potentialities of promising nanomaterials.
The theoretical foundations of the design and technology of production of metamaterials are also considered, which are the logical continuation and the next stage in the development of traditional nanomate

rials. The classification of metamaterials is presented and examples of 
practical realization of their unique properties in technical devices for 
industrial engineering, scientific instrument making, electronics, optics, 
etc., as well as in such exotic areas as creation of invisibility effects and 
virtual teleportation of material objects are given.
Factual information on the study was subjectively selected by author’s own experience in creation of fundamentally new materials. That 
factual information was highlighted from a huge mass of publications in 
periodicals and works of scientific conferences at various levels. Author 
believes that conclusions of given textbook are objectively representing 
a practical way of many research teams in the most advanced areas of 
new technology hard work.
However we have to mention that not all materials which are considered in a textbook are fully exploited and its technology is brought 
to the stage of industrial production. Many of them do not come out 
of the laboratory research stage and we can’t expect its practical implementation in next few years. It is also possible that some of those 
worked-out materials will not meet expectations. At the same time, we 
emphasize that the development of nanotechnologies as a promising direction for creating fundamentally new materials with technical characteristics that repeatedly exceed the existing level of properties will have 
a positive effect on virtually all spheres of production activity.
Author believes that preliminary study of physical-chemical bases 
of production and methods of its technical specifications evaluation is 
obligatory for students for better mastering and consolidation of the 
major theoretical positions and its practical application for creation of 
engineering materials of new generation. It is successively reflected in 
a given textbook.
The basis of the textbook is didactic material used by the author for 
many years to conduct classes with students of the master’s program at 
the Moscow State Polytechnical University.
Successful mastering of the textbook assumes a satisfactory knowledge of the fundamentals of natural science disciplines «Physics», 
«Chemistry» and general engineering disciplines «Material Science», 
«Materials Resistance» and «Technology of Structural Materials» at 
the bachelor’s level.

Глава 1.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ

1.1. ТЕРМИНОЛОГИЯ

Приставка «нано-» переводится как «карлик» (от греч. nanos), 
1 нанометр равен 1  10–9 м. К наноразмерным принято относить 
дисперсные (от лат. dispersus — раздробленные) частицы вещества 
или дискретные (от лат. discretus — раздельные) элемен ты структуры материала, если их геометрические размеры хотя бы в одном 
измерении не превышают 100 нм. Нанотехнологией называют 
науку, которая изучает процессы получения и технического применения наноразмерного вещества.
Сам термин «нанотехнология» был предложен в 1974 г. Такое 
использование известной приставки «нано-», применявшейся 
ранее лишь для обозначения кратных и дольных единиц измерения 
(табл. 1.1), для идентификации технологических процессов и продуктов (нанотехнология, наноматериалы и др.) введено в научный 
и инженерно-технический обиход японским ученым Н. Танигучи.

Таблица 1.1

Приставки для образования кратных и дольных единиц

Кратность 
(дольность) 

Приставка

Обозначение
Кратность 
(дольность) 

Пристав ка

Обозначение

рус ское
иностран ное
русское
иностран ное

1012
ТераТ
T
10–12
Пикоп
p

109
ГигаГ
G
10–9
Нанон
n

106
МегаМ
M
10–6
Микромк
μ

103
Килок
k
10–3
Миллим
m

102
Гектог
h
10–2
Сантис
c

101
Декада
da
10–1
Децид
d

Чтобы представить реальный размер объектов, которыми оперирует нанотехнология, приведем такие аналогии. Если диаметр 
земного шара условно принять за 1 м, то 1 нм при этом будет соответствовать диаметру футбольного мяча (рис. 1.1). Диаметр человеческого волоса составляет около 5  103 нм. Дым из трубы тепловой 
электростанции, работающей на каменном угле, состоит из частиц 

каменноугольной золы размером до 5  105 нм. Примерно такой же 
размер имеют цементные частицы, выбрасываемые в атмосферу 
из трубы работающего цементного завода (табл. 1.2). Обычная 
атмосферная пыль содержит частицы размером до 1  103 нм. Как 
мы видим, минимальный размер большинства видов дисперсных 
частиц, загрязняющих воздушную атмосферу, превышает размер 
наночастиц. Только пылевидные отходы металлургического производства, а также обычная атмосферная пыль и табачный дым содержат дисперсные частицы размером до 100 нм, что укладывается 
в классификационные рамки наночастиц.

1 м

1 нм

Рис. 1.1. Сравнительные размеры метра и нанометра

Таблица 1.2

Характерные особенности нано- и аэрозольных частиц

Размер частиц, нм
10 
102 
103 
104 
105 
106

Типы аэрозоля

Способ 
наблюдения

Скорость осаждения частиц, м/с
Частицы 
не оседают

Устройства 
для улавливания 
взвешенных 
частиц

Дождь

Пыльца 
Пыльца 
растений
растений

Споры
Споры
Летучая зола
Летучая зола

Цементная 
Цементная 
пыль
пыль

Молочный 
Молочный 
порошок
порошок

СиликозооСиликозоопасные пыли
пасные пыли

Пыль в угольных 
Пыль в угольных 

шахтах
шахтах
Природный туман
Природный туман

Бактерии
Бактерии

Металлургические пыли и возгоны
Металлургические пыли и возгоны

Аэрозоли химических процессов
Аэрозоли химических процессов

Сажа
Сажа

Конвертерные 
Конвертерные 
возгоны
возгоны
Масляный туман
Масляный туман

Возгоны от мартеновских печей
Возгоны от мартеновских печей

Атмосферная пыль
Атмосферная пыль

Табачный дым
Табачный дым

Вирусы
Вирусы

Конденсационный 
Конденсационный 

туман серной кислоты
туман серной кислоты

Электронный 
Электронный 

микроскоп
микроскоп

Оптический 
Оптический 
микроскоп
микроскоп

Визуаль Визуаль 
ный
ный

0,0001
0,00010,001
0,001 0,01
0,01 0,1
0,1
10
10
100
100

Пылеосадительные камеры

Большие циклоны 
(диаметр > 2 м)

Циклоны 
(диаметр 1–2 м)

Малые циклоны (диаметр < 1 м)

Скрубберы

Тканевые фильтры

Волокнистые фильтры

Скрубберы Вентури

Тонковолокнистые фильтры

Электрофильтры

Обратим внимание, что дисперсные частицы наноразмерного 
диапазона в отличие от более крупных частиц практически не осаж