Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
УМО для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематического направления ННС
«Композитные наноматериалы»
Комплект 1
Том 9
Учебно-Методический Комплекс
для бакалавров
«Основы золь-гель технологии нанокомпозитов»
2008
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
дисциплины
"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"
цикла профессиональных дисциплин
(вариативная часть)
для подготовки бакалавров по направлению «Нанотехнология»
с профилем подготовки «Композитные наноматериалы»
СОДЕРЖАНИЕ
1. Пояснительная записка………………………………………………………….………………….......3
2. Учебно-методический план дисциплины……………...…………………………...............................5
3. Рабочая программа дисциплины…………...……………………………….......………………..…..10
4. Контрольные вопросы по курсу в целом……………………………………….……………………15
5. Список рекомендуемой литературы и электронных ресурсов…………..........................................18
6. Информационные технологии и ресурсы
для самостоятельной работы студентов…………………………..……………..………………....19
7. Тексты лекций....................................................................................................................................... 20
1 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к учебно-методическому комплексу дисциплины
"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"
Учебно-методический комплекс дисциплины "Основы золь-гель технологии нанокомпозитов" составлен в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования и примерным учебным планом подготовки бакалавров по направлению «Нанотехнология» с профилем подготовки «Композитные наноматериалы» в части профессиональных дисциплин.
Выписка из Государственного Образовательного Стандарта
Индекс | Наименование дисциплин и их основные разделы | Всего часов |
Б.3 | Основы золь-гель технологии нанокомпозитов:Золи (классификация, методы синтеза, свойства), современные модельные представления о золь-гель процессах, основы теории фракталов и теории перколяции, экспериментальные методы исследования нанокомпозитов с фрактальной структурой, основные технологические аспекты получения стекловидных пленок, покрытий, порошков и керамических нанокомпозитов, применение продуктов золь-гель технологии. | 80 |
Цели и задачи дисцплины
Дисциплина "Основы золь-гель технологии нанокомпозитов" относится к вариативной части учебного цикла профессиональных дисциплин.
Дисциплина "Основы золь-гель технологии нанокомпозитов" ставит своей целью освоение фундаментальных основ, практических приемов осуществления и приложения в нанотехнологиях одного из самых распространенных и перспективных методов синтеза наноматериалов, особенно нанокомпозитов.
Курс "Основы золь-гель технологии нанокомпозитов" требует предварительной подготовки студентов по таким дисциплинам как неорганическая, органическая, физическая химия.
Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины "Основы золь-гель технологии нанокомпозитов" студент должен:
– иметь представление:
об основах синтеза наноматериалов и особенно нанокомпозитов золь-гель методом;
– знать:
основные подходы используемые в методике, классы используемых веществ, методы контроля за результатами синтеза
– уметь:
проводить эксперименты по методике золь-гель синтеза
анализировать: процессы, происходящие при фазовых и химических превращениях в в процессе стадий золь-гель технологии;
Совокупность указанных представлений, знаний, умений и навыков отражает вышеприведенные требования государственных образовательных стандартов.
2 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ План ДИСЦИПЛИНЫ
"Основы золь-гель технологии нанокомпозитов"
Виды учебных занятий, их объем и формы итогового контроля представлены в таблице 1.
Таблица 1
Виды учебных занятий | Трудоемкость учебных занятий (час.) |
5 семестр | |
Аудиторные занятия | 44 |
Лекции | 32 |
Лабораторные работы | 12 |
Семинарские занятия | 0 |
Самостоятельная работа | 36 |
Подготовка к коллоквиуму | 8 |
Выполнение индивидуальных заданий | 0 |
Подготовка к контрольным работам | 0 |
Выполнение курсовой работы | 0 |
Подготовка к зачету | 8 |
Подготовка к экзамену | 20 |
Дисциплина в целом | 80 |
Формы итогового контроля | зачет, экзамен |
Учебно-тематический план учебной дисциплины представлен в таблице 2.
Таблица 2
Темы учебной дисциплины | Всего часов | Кол-во аудиторных часов | Кол-во часов сам.раб | ||
Лекции | Лаборатории | Практ. занят. | |||
Введение. Термины и определения (золь, гель, ксерогель, аэрогель, механизм перехода в гель, точка перехода в гель, гелеобразование с формированием гигантского кластера и т. д.). Золь-гель технология как нанотехнология: от исходных компонентов и до продуктов синтеза. Основные принципы золь-гель синтеза. Ассортимент получаемых материалов: порошки, аэрогели, керамика, стекло, покрытия, волокна и т. п.. Достоинства и недостатки золь-гель синтеза. | 2 | 1 | – | – | 1 |
РАЗДЕЛ I Золи. Классификация. Методы синтеза. Свойства | |||||
Тема 1. Золь-гель системы как объект коллоидной химии. Партикулярные золи (определение, их особенности). Анализ сил, действующих на частицы золя. Электростатическое взаимодействие. Мицеллобразование. Использование электрокинетического потенциала для оценки устойчивости золей. Теория ДЛФО, в т. ч. с учетом структурной составляющей. Коррективы, вносимые в теорию ДЛФО, при рассмотрении нанообъектов. Синтез и применение партикулярных золей на практике (золи диоксида кремния). | 8 | 2 | 2 | – | 4 |
Тема 2. Полимерные золи: определения, примеры. Реакция гидролитической поликонденсации, как основополагающая реакция золь-гель синтеза на примере алкоксисоединений. Золи как структурируемые жидкости. Реологические свойства золей. Влияние природы прекурсоров (алксоксиды кремния и металлов, щелочные силикаты) на структуру и свойства получаемых материалов. Особенности проведения гидролиза в кислой и щелочной среде. Варьирование pH-средой гидролиза (кислотно-кислотный, кислотно-щелочной и щелочной). Влияние природы растворителя на скорость гидролиза и поликонденсации. Образование сетки неорганического полимера в условиях избытка и недостатка воды. Продукты золь-гель синтеза. Использование неорганических допантов для модификации свойств получаемых материалов. Физико-химические процессы, протекающие в многокомпонентных золь-гель системах. | 6 | 2 | - | - | 4 |
Тема 3. Классификации золь-гель процессов и продуктов золь-гель синтеза. Золь-гель процессы первого поколения с образованием оксидных материалов и покрытий (стекло, керамика, стеклокерамика). Золь-гель процессы второго поколения с образованием гибридных органо-неорганических материалов. Классификация продуктов золь-гель синтеза по степени взаимодействия между компонентами композитов | 4 | 2 | – | 2 | |
Тема 4. Синтез органо-неорганических композитных материалов и их свойства. Основные методы золь-гель синтеза органо-неорганических материалов. Классификация органо-неорганических нанокомпозитов (ОРМОСИЛы, КЕРАМЕРы, ОРМОКЕРы, ОРМОЛИТы, ВПС-структуры). Структура органо-неорганических гибридов. Органо-неорганические нанокомпозитов – новый класс материалов. Понятие темплатного синтеза и примеры темплатного синтеза при получении высокопористых композиционных материалов | 3 | 2 | 1 | ||
Раздел 2. Современные модельные представления о золь-гель процессах. Основы теории фракталов и теории перколяции. | |||||
Тема 5. Понятия о фрактальных системах. Классификация фракталов. Фрактальные агрегаты. Количественные характеристики фракталов. Физические фракталы. | 11 | 2 | 4 | - | 5 |
Тема 6. Основы теории перколяции. Основные понятия теории перколяции. Задачи теории перколяции, задачи узлов, задачи связей и смешанные задачи и их решения. Типы и размерности решеток. Переход "металл-диэлектрик". Порог протекания, критические индексы, бесконечный кластер. Нанокомпозиты с фрактальной и перколяционной структурами. Перколяционный переход. Динамические перколяционные модели | 7 | 2 | 2 | - | 3 |
Тема 7. Основные модели роста фрактальных агрегатов в золь-гель-процессах. Модели "кластер–частица". Кластер-кластерные модели. Модель химически ограниченной агрегации. Модель кластер-кластерной агрегации с учетом дальнодействующего эффекта притяжения. Кластер-кластерные модели с расширенной деталировкой механизмов роста. | 11 | 2 | 4 | – | 5 |
Раздел 3. Экспериментальные методы исследования нанокомпозитов с фрактальной структурой | |||||
Тема 8. Экспериментальные методы исследования фрактальной размерности. Оценка массовой фрактальной размерности по значению плотности агрегата. Анализ микрофотографий. Методы малоуглового рассеяния. Эффект малоуглового рассеяния. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. Эффект рассеяния. Кривая малоуглового рассеяния. Область Гинье, область Порода. | 3 | 2 | - | - | 1 |
Тема 9. Применение метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей для анализа золь-гель-процессов. Особенности исследования нанокомпозитов с многоуровневой фрактальной структурой, Массовые и поверхностные фракталы в реальных золь-гель системах. Идентификация режимов и областей малоуглового рассеяния. Параметры фрактальности. Нефрактальное поведение зол-гель систем. | 3 | 2 | – | – | 1 |
РАЗДЕЛ 4. Основные технологические аспекты получения стекловидных пленок, покрытий, порошков и керамических нанокомпозитов. Применение продуктов золь-гель технологии. | |||||
Тема 10. Реологические свойства золей. Эффективная вязкость. Контроль процессов ньютоновская жидкость → структурированная жидкость → гель. Методы измерения вязкости. Капиллярный метод, метод падающего шара, ротационный метод и ультразвуковой метод. Влияние природы прекурсоров на структуру и свойства получаемых материалов. Продукты золь-гель синтеза. Использование неорганических допантов для модификации свойств получаемых материалов. | 3 | 2 | - | – | 1 |
Тема 11. Получение стекловидных пленок и гибридных органо-неорганических покрытий для микроэлектроники. Особенности применения стекловидных пленок в планарной технологии микроэлектроники. Достоинства метода. Технологические факторы золь-гель процесса. Температурно-временные режимы золь-гель-нанотехнологии Формирование пленок на подложках Термическая обработка пленок | 3 | 2 | – | – | 1 |
Тема 12. Особенности получения гибридных органо-неорганических нанокомпозитов для электроизоляционных покрытий. Стекловидные электроизоляционные покрытия для проводов и пластин с повышенной термической стойкостью. Пример расчета состава исходныхкомпонентов. Органические и высокомолекулярные добавки. Влияние модифицирующих добавок на технические характеристики стеклокерамических покрытий. | 3 | 2 | 1 | ||
Тема 13. Керамические нанокомпозиты. Получение оксидных материалов. Керамический метод. Формирование порошков и нанопорошков. Методы получения керамических материалов с помощью золь-гель процессов. Сравнение традиционной керамической технологии с золь-гель методом получения нанокомпозитов | 2 | 1 | 1 | ||
Тема 14. Использование золь-гель технологии в цикле изготовления мембран водородных топливных элементов. Механизм протонной проводимости. Протонпроводящие полимерные мембраны. Протонная проводимость силикофосфатных нанокомпозитов. | 2 | 1 | 1 | ||
Тема 15. Особенности технологии получения функциональных перколяционных сетчатых наноструктур. Продукты золь-гель методов в микроэлектронике и наноэлектронике. Физическое разделение области неустойчивости. Двумерное фазовое разделение. | 2 | 1 | 1 | ||
Тема 16. Методы контроля процессов, протекающих при термообработке пленок и ксерогелей. Применение ДТА и РФА. Методики нанодиагностики эволюции фрактальных структур. Внутреннее трение (ВТ) в твердых телах. Применение метода ВТ для анализа золь-гель систем | 3 | 2 | 1 | ||
Тема 17. Основные виды продукции, получаемые золь-гель-методом. Виды продукции, выпускаемые крупнейшими промышленными фирмами. | 2 | 1 | 1 | ||
Заключение. Перспективы развития золь-гель нанотехнологии в ближайшее десятилетие. | 2 | 1 | – | – | 1 |
ВСЕГО | 80 | 32 | 12 | - | 36 |
3 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
