МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Забайкальский государственный университет»
(ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)
ХИМИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
(4 з. е./ 144 часа)
по направлению подготовки (специальности) 140400.62 “Электроэнергетика и электротехника”
Составлена в соответствии с ФГОС ВПО утвержденным приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от № 000
Профиль (специализация) 140211.62 «Электроснабжение»
Форма обучения: заочная
(зачет, контрольная работа)
Краткое содержание курса
1. Введение. Водород как сырье и материал. Диэлектрическая проницаемость газов;
2. Щелочные металлы и их соединения в технике, технологии и в современных материалах;
3. Бор, алюминий, галлий, индий, таллий и их соединения в современной технике и технологиях;
4. Материалы на основе 3d и 4d элементов. Сплавы, припои, материалы высокой проводимости;
5. Материалы на основе 5d и 4f элементов. Полупроводниковые химические соединения, их электропроводность;
6. Материалы на основе углерода и кремния. Керамика, стекло, асбест и слюда – как диэлектрические материалы;
7. Высокомолекулярные соединения (ВМС) как материалы;
8. Волокнистые материалы, пластмассы, слоистые пластики и др. соединения, применяемые в изоляции;
9. Благородные газы в химии, физике и технологии. Материалы специального назначения.
Вопросы для подготовки к зачету:
1. Вещество, фаза, материал. Нелинейность отклика и свойств фаз в создании "умных" материалов. Структурная иерархия материалов;
2. Строение, классификация и свойства кристаллов поликристаллы - микроструктура, кристаллическая структура, домены, текстура,, применение кристаллических веществ в энергетике;
3. Классификация дефектов, структура дефектов, точечные дефекты, протяженные дефекты, границы раздела, поры, структуры кристаллографического сдвига, дефекты упаковки, взаимодействие дефектов;
4. Типы (функциональных) материалов (по составу, структуре, свойствам и областям применения, многофункциональные материалы);
5. Наноструктуры, нанокомпозиты и нанореакторы в энергетике;
6. Традиционнные и современные технологии получения ультрадисперсных материалов (методы химической гомогенизации, неравновесные методы, методы, основанные на синергетике химического и физического воздействия, механические и физико-химические процессы диспергирования и смешения порошков.);
7. Аморфное состояние и различные определения стекла. Термодинамика процесса стеклования;
8. Механизмы стеклообразования и расстекловывания, стеклокерамика в энергетической отрасли;
9. Структура силикатных и боратных стекол. Аморфные металлы и металлические стекла. Стеклоуглерод. Фотохромные стекла;
10. Особые свойства веществ в виде тонких пленок, пленка как композит. Методы получения пленочных материалов;
11. Механизмы осаждения и роста. Эпитаксия. PVD, CVD, MOCVD, RABiTS, жидкофазная эпитаксия, золь-гель, spin-coating, самособирающиеся слои, графоэпитаксия;
12. Гетероструктуры с участием пьезоэлектриков, сверхпроводящих купратов и манганитов с гиганским магнитным сопротивлением. Методы получения толстых пленок и покрытий;
13. Основные характеристики кристаллического вещества: однородность, анизотропия, способность самоограняться, симметрия. Связь процессов кристаллизации с фазовыми диаграммами;
14. Основные методы выращивания кристаллов - спонтанная кристаллизация, Бриджмена - Стокбаргера, Киррополуса, Чохральского, Вернейля, Степанова и пр., массовая кристаллизация, рост из газовой фазы и расплава;
15. Структура керамики. Описание, энергетические вклады поверхности и объема. Классификация керамических материалов. Керамические материалы с диэлектрическими, магнитными, оптическими, химическими и ядерными функциями;
16. Стадии получения керамики. , первичная кристаллизация, собирательная рекристаллизация, аномальный рост зерен). Методы спекания. Шликерное литье. Пенокерамика. Перспективные керамические композиты (трансформационное упрочнение ZrO2, керметы, ВТСП);
17. Основные свойства диэлектриков. Важнейшие диэлектрические характеристики материалов. Основные типы диэлектриков. Кристаллические структуры диэлектриков. Сегнето-, пьезо - и пироэлектрики на основе солей и сложных оксидов;
18. Основные типы полупроводниковых материалов. Определения, зонная теория, собственная и примесная проводимости. Химический состав, аморфные полупроводники. Кристаллические структуры основных полупроводниковых материалов. Термоэлектрические явления;
19. Суперионики. Определения. Классические суперионики (AgJ vs NaCl, глинозем, голландит). Кристаллохимические критерии возникновения суперионного состояния твердых тел. Важнейшие типы анионных и катионных проводников на основе галогенидов, халькогенидов, пниктогенидов и фосфатов;
20. Дисперсоиды. Электронно-ионные проводники. Катодные и анодные материалы литиевых батарей (на основе кобальтитов, манганитов и никелатов лития) Протонные проводники на основе церрата бария. Применение твердых электролитов (в химических источниках тока, в сенсорных системах и гальванических цепях, предназначенных для изучения термодинамики твердофазных реакций.) Мембранные материалы;
21. Сверхпроводники, строение, свойства, применение в энергетике;
22. Магнитные металлы и сплавы типа альнико, SmCo5 и Fe-Nd-B. Пути повышения магнитной энергии сплавов, связанные с применением термической, термомеханической или радиационной обработки;
23. Материалы с колоссальным магнетосопротивлением (новые магнитоактивные композиты и материалы для магнитной записи, спинтроника);
24. Основные требования, предъявляемые к гетерогенным катализаторам. Принципы создания материалов с высокой удельной поверхностью. Нанозернистые и мезопористые системы как носители вещества-катализатора;
25. Кристаллическая структура ферромагнетиков. Магнитодиэлектрики типа ферритов со структурой шпинели, граната, магнетоплюмбита.
Контрольное задание по предмету
«ХИМИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
Варианты контрольных работ выбираются по последней цифре номера зачетной книжки (из каждой десятки задач берется соответственная задача - всего 10 задач)
1. Производство водорода. Термохимические циклы. Мембранные технологии получения сверхчистого водорода. Написать соответствующие урвнения реакций;
2. Гидриды как аккумуляторы водорода. Водородная энергетика. Принцип строения топливного элемента. Проблемы получения и хранения жидкого водорода;
3. Орто - и пара-водород. Особенности конструкционных материалов, используемых в водородной энергетике. Водородная коррозия.
4. Вода. Тяжелая и сверхтяжелая вода. Представления об изотопном эффекте, диаграмма состояния воды;
5. Горячий" лед. Структура "обычного" льда. Льдоподобная структура воды. Активное состояние жидких и твердых тел, механоактивация;
6. Потребление воды в различных производствах. Вода как растворитель (Гидротермальный синтез, ress - технология). Основные представления о криохимической технологии;
7. Общий обзор свойств щелочных металлов и их соединений. Расплавы щелочных металлов как теплоносители в ядерной энергетике;
8. Пероксидные соединения щелочных металлов и их техническое применение. Электрохимия расплавов;
9. Электронные свойства щелочных металлов. Фотоэффект. Работа выхода электрона;
10. Полярон. Электронный газ. Термоэлектрические явления. Фотоника;
11. Общий обзор свойств щелочноземельных металлов и их соединений. Диэлектрики. Диэлектрические свойства титанита бария и других соединений со структурой перовскита;
12. Сегнето - и пьезоэлектрики. Пироэлектрический эффект. Электреты. Электрострикционные материалы;
13. Дефектные перовскитоподобные структуры. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), применение их в энергетике;
14. Создание «интеллектуальных» материалов с нелинейными свойствами. Электрореологические жидкости;
15. Общая характеристика элементов, IIIA подгруппы. Бор. Структура В12. Использование бора в ядерной энергетике;
16. Фториды бора. В4С - конкурент технического алмаза. Нитрид бора и его полиморфные модификации. Бороводороды. Боразол;
17. Алюминий. Алюминиевые сплавы, спеченный алюминиевый порошок - САП. Оксидные соединения алюминия: a - и g-Al2O3 как основа создания каталитически активных систем. Полиалюминат натрия b-Аl2О3 - суперионный проводник. Оптически прозрачный поликристаллический a-Ai2O3 - «Кадор»;
18. Высокотемпературная керамика. Комплексные соединения алюминия и их роль в стереоспецифических реакциях (катализаторы Циглера-Натта);
19. Использование соединений Ga, In и Tl. в современных материалах;
20. Магнитные материалы. Диа-, пара - и ферромагнетики. Ферри - и антиферримагнетики. Металлические и неметаллические магнитные материалы. Аморфные сплавы;
21. Ферриты со структурой шпинели. Нормальная и обращенная шпинели. Магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Магнитные жидкости и магнитоактивные композиты.
22. Конструкционные металлические материалы. Стали. Коррозия и борьба с ней.
23. Сплавы, обладающие эффектом памяти формы. Представление о природе эффекта топохимической памяти. Роль эффектов памяти в неорганическом материаловедении;
24. Общие закономерности изменения свойств в периодах. Внутренняя периодичность. Соединения Курнакова. Фазы Лавеса. Фазы внедрения. Интерметаллиды. Диаграммы состояния металлических систем;
25. Металлы в гетерогенном катализе. Материалы на основе платиновых, элементов. Ультрадисперсное состояние вещества. Наноматериалы.
26. Общая характеристика 5d элементов. Тугоплавкость. Лантанидное сжатии. Лантан и его соединения;
27. . Соединения гафния, тантала и их применение (легирующие добавки, покрытия, теплообменники, медицина);
28. Вольфрам: его свойства и применение (твердые сплавы, лампы накаливания, нагреватели и термопары) Вольфрамовые бронзы. Компактный вольфрам. Проблема спекания. Температура Таммана. Эффект Ацтке-Вацека;
29. Амальгамы - сплавы или интерметаллиды. Применение амальгам в технике и в энергетике;
30. Распространенность лантанидов и актинидов. Проблема выделения элементов из различных типов сырья: - интенсификация процессов выделения за счет экстракции и ионного обмена;
31. Применение 4f элементов: люминофоры, лазеры (активные добавки), стекловарение, легирующие добавки. Рост монокристаллов из растворов и расплавов;
32. Азот. Проблема связанного азота. Синтез аммиака. Перспективы использования высоких давлений в химии;
33. Проблемы конструкционных материалов, используемых при высоких давлениях;
Нитриды. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (CВC — процессы);
Кислые фосфатные соли — протонные суперионные проводники. Фосфатные стекла. Гидроксоаппатиты как основа биокерамики;
Диаграмма состояния GaAs, легированного кремнием.
34. Использование Sb и Bi в современном материаловедении. Легкоплавкие сплавы. Антифрикционные сплавы;
35. Ионная проводимость в твердом теле. Униполярная и биполярная проводимость;
36. Твердые электролиты. Понятие о квазижидкой подрешетке в твердом теле. Квазихимический подход к описанию поведения твердых электролитов;
37. Использование галогенидов в качестве твердых электролитов и элементов сенсорных систем. Дисперсоиды;
38. Основы электрохимической термодинамики твердофазных реакций.
39. Соединения переменного состава (cпc). Закономерности возникновения фаз переменного состава на основе 3-d и 4-f элементов;
40. Уравнение электронейтральности, расчет состава СПС, квазихимические реакции.
41. Зависимость свойств оксидных и сульфидных СПС от не стехиометрии.
42. Анализ электрических, оптических и магнитных свойств. Люминофоры. Кластерные материалы. Фазы Шевреля.
43. Селениды и теллуриды и соединения на их основе, используемые в энергетике;
44. Углерод. Аллотропные модификации углерода: алмаз, графит, аморфный углерод. Эксперименты Муассана. Работы Лейпунского;
45. Синтез искусственных алмазов. Режущие инструменты. Соединения внедрения в графит (СВГ-фазы);
46. Карбин. Фуллерены. Новые поколения материалов на основе фуллеренов, применяемые в энергетике;
47. Основные представления о композиционных соединениях. Углеродные «усы». Стеклоуглерод;
48. Германий и кремний как полупроводники. Проблемы получения высокочистых веществ и их легирование. Основные принципы построения диаграмм дефектообразования на примере кремния;
49. Химия силикатов. Стекла. Стеклообразование. Оптоволоконные материалы в энергетике;
50. Золь-гель технология и cvd процессы. Пути повышения прочностных характеристик стекол (частичная кристаллизация, химическое легирование и т. д.);
51. Фотохромные стекла. Ситаллы. Цеолиты — молекулярные сита и катализаторы;
52. Цементы и бетон, Железобетон. Огнеупоры. Строение и применение данных композитов в энергетике;
53. Использование соединений Sn и Pb в современных материалах;
54. Определение ВМС. Гибкость цепи — фундаментальное свойство ВМС. Молекулярные механизмы гибкости: конформационная и деформационная;
55. Свойства полимеров как материалов. Способность к высокоэластичным деформациям;
56. Температура стеклования. Кристаллическое состояние ВМС. Температура кристаллизации. Механические анизотропные свойства ВМС. Способность к гелеобразованию;
57. Четыре группы полимерных материалов: объемные, волокна, пленки, покрытия, применение данных материалов в энергетике;
58. . "Высокоинтеллектуальные" полимерные материалы: мембраны, сорбенты, катализаторы, электроактивные материалы;
59. Соотношение температур текучести, стеклования и кристаллизации зависимость этих температур от длины полимерной цепи;
60. Синтез полимерной молекулы. Изо-, синдио - и атактическая цис - и транс-конфигурации полимерных молекул. Стереорегулярные полимеры. Укладка полимерных цепей;
61. Армированные материалы. Суперинженерные пластики. Создание новых типов конструкционных и функциональных материалов на основе полимеров;
62. Общий обзор свойств элементов VIIIa подгруппы. Особенности спектров благородных газов. Применение благородных газов в светотехнике и в производстве ОСЧ материалов;
63. Инертные или благородные газы Открытие Бартлетта. Работы по химической фиксации ксенона. Химические соединения благородных газов, высокоэффективные окислители. Фазы внедрения (клатраты);
64. Устойчивость фаз внедрения (термодинамический анализ). Радиохимия благородных газов;
65. Борьба за "абсолютный ноль". Оннеса по данному направлению;
66. Диаграмма состояния гелия. Критическая точка. Гелий I и гелий II, использование гелия в энергетике;
67. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. Квантовые эффекты в веществах при температурах < 4 К.
68. Квантовые эффекты в химических системах при низких и сверхнизких температурах: туннельный эффект, низкотемпературный предел скорости химической реакции;
69. Коррозия сплавов, соединений с железом. Методы борьбы с коррозией;
70. Построение диаграмм состояния металлических систем. Исследование изменения свойств металлов в гетерогенном катализе;
71. Изучение легирующих добавок, покрытий, теплообменников. Вольфрам: его свойства и применение (твердые сплавы, лампы накаливания, нагреватели и термопары);
72. Рост монокристаллов из растворов и расплавов. Исследование проводниковых свойств кристаллов;
73. Получение и изучение свойств кислых фосфатных солей, как протонных суперионных проводников. Фосфатные стекла. Гидроксоаппатиты как основа биокерамики. Построение диаграммы состояния GaAs, легированного кремнием;
74. Использование галогенидов в качестве твердых электролитов и элементов сенсорных систем;
75. Анализ электрических, оптических и магнитных свойств селенидов и теллуридов;
76. Получение и исследование свойств композиционных соединений на основе углерода, применение данных композитов в энергетике;
77. Постановка синтеза диэлектрических материалов на основе органических полимеров;
78. Работа со спектрами благородных газов. Применение благородных газов в электротехнике и в производстве ОСЧ материалов;
79. Получение водорода, водородная коррозия. Представления об изотопном эффекте, диаграмма состояния воды;
80. Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков; электропроводность диэлектриков; диэлектрические потери;
81. Химические свойства диэлектриков и воздействия на них излучений высокой энергии;
82. Пробой диэлектриков; неорганические диэлектрические пленки; материалы высокой проводимости;
83. Кластерные материалы, их свойства и применение в энергетике;
84. Фуллерены, новые поколения материалов на основе фуллеренов;
85. Суперинженерные пластики, создание новых типов конструкционных и функциональных материалов на основе полимеров;
86. Сплавы, обладающие эффектом памяти формы, представление о природе эффекта топохимической памяти;
87. "Высокоинтеллектуальные" полимерные материалы: мембраны, сорбенты, катализаторы, электроактивные материалы;
88. Материалы на основе платиновых, элементов, ультрадисперсное состояние вещества. Наноматериалы;
89. Какой тип проводимости (n или p) будет наблюдаться в кристалле PbTe, содержащем некоторый избыток Pb? Te?
90. В каких простых оксидных материалах существует проявление ферромагнитных свойств? Ответ обоснуйте. Какие ферромагнитные материалы применяются в энергетике?
91. Что такое керамические материалы? Что такое композитные материалы, какие материалы применяются в энергетике?
92. Чем различаются биоактивные, биосовместимые и биорезорбируемые материалы?
93. В каких простых веществах вы можете ожидать проявления ферромагнитных свойств? Ответ обоснуйте;
94. Какой тип проводимости (n или p) будет наблюдаться в кристалле Si, легированном Sb? Al? P? In?
95. Принцип работы топливного элемента, основы водородной энергетики;
96. Химический состав изоляционных материалов, особенности получения;
97. Реакции полимеризации, поликонденсации и сополимеризации, механизмы протекания. Написать уравнения соответствующих реакций;
98. Полимерные изоляторы, достоинства и недостатки;
99. Строение фарфоровых изоляторов, достоинства и недостатки;
100. Строение стеклянных изоляторов, достоинства и недостатки.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1. Д, Путляев в химию твердофазных материалов. - М. Издательство МГУ. Издательство Наука, 2006. – 342 с.
2. Аркелян химия электротехнических аппаратов: В 2 т. Т.1. Физическая химия элегазового электротехнического оборудования. - М.: Издательство МЭИ, 20с.
3. , , Лифанов материаловедение: Учеб. пособие.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006 – 364 с.
Дополнительная литература
1. Артеменко, Александр Иванович. Справочное руководство по химии : справ. пособие / , , . - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 20с
2. ., , Саркисов и технология нанодисперсных оксидов. - М. ИКЦ «Академкнига». 2006. – 236с.
3. Суздалев . Физико-химия нанокластеров, наноструктури наноматериалов. - М. Издательство «КомКнига». 2005. – 175 с.
Программу разработал
