Лекция 18 . Наноструктурные материалы.

Систематизация наноматериалов.

Наноструктурныематериалы (наноматериалы) – кристаллические материалы со средним размером зернышек либо других структурных единиц наименее 100 нм и владеющие отменно новыми качествами, многофункциональными и эксплуатационными чертами.

Они состоят из микрочастиц, которые представляют собой наноразмерные комплексы спецефическим образом взаимосвязанных атомов либо молекул.

К ним относятся:

1.Фуллерены- молекулярные соединения, представляющие аллотропическую форму углерода (аллотропия Лекция 18 . Наноструктурные материалы. – существование 1-го и такого же элемента в виде разных по свойствам и строению структур). Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с поперечником примерно 1 нм и припоминает футбольный мяч. Атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь конструктора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и Лекция 18 . Наноструктурные материалы. шестиугольников.

молекула С60 молекула С70

Основная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они смотрятся как замкнутые, пустые снутри "оболочки". Самая именитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен C60 (в виде футбольного мяча), также молекула С70 ( в виде мяча регби).

2.Нанотрубки углеродные - цилиндрические молекулы с огромным числом Лекция 18 . Наноструктурные материалы. атомов углерода.

Они представляют собой графитовые сетки, свёрнутые в трубки, и могут быть открытыми и закрытыми, одностенными, двустенными и многостенными. На поверхности трубки атомы углерода размещены в верхушках правильных шестиугольников, являющихся ячейками в плоском графитовом листе. На концах закрытых нанотрубок кроме шестиугольных ячеек, соответствующих для структуры графита, находятся пятиугольные ячейки.

Углеродные нанотрубки Лекция 18 . Наноструктурные материалы., фото которых представлены ниже, имеют необыкновенную структуру. Они бывают различных форм и размеров: однослойные, двухслойные и мультислойные, прямые и зигзагообразные. Невзирая на то, что нанотрубки смотрятся достаточно хрупкими, они являются крепким и отлично работают на растяжение и извив.

Однослойная нанотрубка

Двухслойная нанотрубка

Мультислойная нанотрубка это несколько однослойных нанотубуленов Лекция 18 . Наноструктурные материалы., «одетых» одна на одну по принципу российской матрёшки

Способы получения нанотрубок. На сегодня есть последующие способы получения углеродных нанотрубок:

распыления, аблясация и осаждение из газовой фазы.

Распыление в дуговом разряде – получение в плазме электронного разряда, который происходит с применением гелия.

Аблясация –получение углеродных нанотрубок в итоге испарения графита на нижней части реактора Лекция 18 . Наноструктурные материалы.. Остывание и сбор их происходит с помощью охлаждающей поверхности.

Осаждение из газовой фазы– получение нанотрубок из паров углерода, приобретенных при содействии углеродсодержащих газов (ацетилен, метан,этанол и аммиак) с катализатором виде маленьких частиц металлов (кобальт, никель и др.) Данный метод получения нанотрубок является самым всераспространенным.

Углеродные нанотрубки используются:

в качестве Лекция 18 . Наноструктурные материалы. добавок к полимерам; катализатором для осветительных устройств, также плоских мониторов и трубок в телекоммуникационных сетях; в качестве поглотителя электрических волн; для преобразования энергии; производства анодов в разных видах батареек; хранения водорода; производства датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и параметров.

Функционализация углеродных нанотрубок сводится Лекция 18 . Наноструктурные материалы. к наделению полимеров проводящими качествами. Коэффициент теплопроводимости нанотрубок довольно высок, потому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного громоздкого оборудования.

Важной отраслью внедрения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские мониторы.

3.Фуллери́ты— кристаллы, образованные молекулами фуллерена, имеющие гранецентрированную кубическую решётку со слабенькими межмолекулярными связями.

Фуллерит является Лекция 18 . Наноструктурные материалы. аллотропной модификацией углерода(C).

Крупнокристаллический порошок фуллерита C60 в растровом электрическом микроскопе

При обычных критериях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период таковой решётки составляет а = 1,417 нм, средний поперечник молекулы фуллерена С60составляет 0,708 нм, расстояние меж примыкающими молекулами С60 равно 1,002 нм. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что существенно меньше Лекция 18 . Наноструктурные материалы. плотности графита (2,3 г/см3), и, тем паче, алмаза (3,5 г/см3). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые.

Применение фуллерита:

1.как начальный материал для получения алмаза

Совершенно не так давно было показано, что поликристаллический фуллерит можно перевоплотить в алмаз при давлении всего только 2 * 105 атм Лекция 18 . Наноструктурные материалы. и при комнатной температуре. Пока же, как понятно, для перевоплощения поликристаллического графита в алмаз нужно давление (3 - 5) * 106 атм и температура 1200 °С.

Таким макаром, фуллериты являются более многообещающим сырьем для синтеза самого твердого и дорогого материала - алмаза.

Он тверже алмаза, прочнее стали, замечательно упруг, пылает только при очень высочайшей температуре. Его открыли Лекция 18 . Наноструктурные материалы. 20 годов назад, но получали до сего времени с большенными трудностями. И вот не так давно случился реальный прорыв. Ученые из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ и МИСиС первыми в мире отыскали метод с легкостью синтезировать фуллерит в всех количествах.

Конструкционные наноматериалы могут быть Лекция 18 . Наноструктурные материалы. представлены наноструктурированными композитами.

Наноструктурированные композиты– материалы, в каких наноразмерные частички наполнителя в маленьком количестве вводят в расплав материала матрицы (металл либо полимер).

При всем этом наблюдается существенное повышение механической прочности и достижение больших многофункциональных параметров.

Эффект наноструктурирования почаще появляется при использовании микрочастиц, имеющих протяженную и сложную по геометрии форму (нанотрубки, нановолокна Лекция 18 . Наноструктурные материалы., нанозвездочки и др.), а как следует – более развитую поверхность. Содержание наноразмерного наполнителя в наноструктурированных материалах обычно составляет менее 5 масс.%.

Нрав воздействия микрочастиц на характеристики композиционных наноматериалов и направления их использования в значимой степени находится в зависимости от типа матрицы, в какой диспергируются микрочастицы.

Систематизация нанокомпозитных материалов:

– полимер-матричные Лекция 18 . Наноструктурные материалы. нанокомпозиты;

– металл-матричные нанокомпозиты;

– стекло-матричные нанокомпозиты;

– глиняние нанокомпозиты.

В текущее время более обширно употребляются последующие виды наноразмерных заполнителей композитных наноматериалов :
1. Углеродные нанотрубки и нановолокна, включая обыкновенные, двойные и многостеночные нанотрубки; обыкновенные и графитизированные нановолокна.,

На рынке представлены разные виды относительно длинноватых (5-30 мкм), обычно – взаимопереплетенных, нанотрубок и нановолокон (поперечником 1-20 нм), также недлинные просто Лекция 18 . Наноструктурные материалы. диспергируемые в разных средах нанотрубки и нановолокна длиной 0,5-2 мкм и поперечником 20-50 нм.


Длинноватые нановолокна

2.Железные, оксидные и гидроксидные нанотрубки.

Более всераспространенными видами схожих нанонаполнителецй являются последующие: B4C, BN, LaF3, SiC, TiS2, MoS2, ZrS2. Длина нанотрубок этого типа составляет от 3 до 30 мкм, наружный поперечник 25-100 нм, внутренний поперечник 10-80 нм.
Не считая того Лекция 18 . Наноструктурные материалы., на рынке представлены нанотрубки последующих оксидов и гидроксидов металлов: Y2O3, MgO, TiO2, Al2O3, SiO2, др, имеющие длину 0,2 -20 мкм, наружный поперечник 40-200 нм, внутреннийдиаметр 15-150 нм.


3.Недлинные нановолокна и наностержни

В том числе железные (Ag, Bi, In, Si), полупроводниковые (GaP, InP), нитридные (Si3N4) и оксидные (TiO2).


lekciya-15-refleksiya.html
lekciya-15-vliyanie-pesticidov-na-okruzhayushuyu-sredu-tema-vvedenie.html
lekciya-15.html