Программа учебной дисциплины «Физико-химические основы нанотехнологий»

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Согласовано		Утверждаю
Руководитель ООП по направлению 150100 декан МФ проф.		Зав. кафедрой МиТХИ проф.

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Физико-химические основы нанотехнологий»

(наименование по рабочему учебному плану)

Направление подготовки: 150100 «материаловедение и технология новых материалов»

Профиль подготовки: «Материаловедение и технологии новых материалов»

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

Составитель: ст. преподаватель

Санкт-Петербург

2012

Составитель:

Научный редактор: доцент

ПРЕДИСЛОВИЕ

Рабочая программа по дисциплине «Наноматериалы и нанотехнологии» предназначена для студентов очной формы обучения квалификации бакалавр направлению 150100.62 - Материаловедение в технологии материалов.

ЦЕЛЬ изучения - познание природы и свойств наноматериалов, а также технологий их получения, свойств и способов исследования для наиболее эффективного использования в машиностроении.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ дисциплины. Знать физическую сущность явлений, происходящих в наноматериалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации. Показать влияние нанотехнологий на структуру и свойства современных материалов. Установить зависимость между составом, строением и свойствами наноматериалов, изучить теорию и практику различных способов исследования и создания наноматериалов. Изучить применение наноматериалов в машиностроении с целью обеспечения высокой надежности и долговечности деталей машин, инструмента и других изделий.

Дисциплина «Наноматериалы и нанотехнологи» входит в специальную подготовку студента по данной специальности. Она опирается на знание таких дисциплин как физика, химия, математика, информатика, материаловедение и ТКМ и развивает интерес у студента к научно-исследовательской и новаторской деятельности, так как преподается на последнем завершающем семестре обучения.

1. Содержание дисциплины

Введение (4 часа)

[1] с. 4-7, [7] c. 10-22 , [8] c.5-12

История развития нанотехнологий. Основные понятия нанотехнологий. Основные открытия в области нанотехнологий. Основные сферы применения нанотехнологий в современном мире.

1. Структура наноматериалов (8 часов)

[1] с. 10-28, [2] c. 9-14, [5] c.20-45, [8] c.16-33

1.1. Особенности структуры наноматериалов

1.2. Углеродные наноструктуры

1.2.1. Алмаз, графит

1.2.2. Карбин

1.2.3. Кластеры

1.2.4. Фуллерены

1.2.5. Углеродные нанотрубки

Вопросы для самопроверки:

1) Когда были впервые обнаружены фуллерены?

2) Какие бывают формы углерода?

3) Что такое кластеры?

4) Что такое нанотрубка?

5) Перечислите разновидности углеродных нанотрубок.

6) Перечислите способы получения нанотрубок.

2. Общая характеристика и классификация композиционных материалов (4 часа)

[1] с. 10-28, [2] с. 16-25

2.1. Дисперсноупрочненные композиционные материалы

2.2. Волокнистые композиционные материалы

2.3. Слоистые композиты

2.4 Композиционные наноматериалы

Вопросы для самопроверки:

1) Что такое наполнитель?

2) Что такое матрица?

3) Какие бывают наполнители?

4) Из каких материалов может быть изготовлена матрица?

5) Как может влиять наполнитель на свойства композиционного материала?

3. Методы исследования наноматериалов (12 часов)

[1] с. 35-42, [4] с. 10-121, [6] с. 80-95

3.1. Электронная микроскопия

3.1.1 Применение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения в нанотехнологических исследованиях

3.2. Сканирующая туннельная микроскопия

3.2.1. Метод постоянного тока

3.2.2. Методом постоянной высоты

3.2.3. Метод отображения работы выхода

3.2.4. Метод отображения плотности состояний

3.2.5. I(z) спектроскопия

3.2.6. I(v) спектроскопия

3.3. Сканирующая зондовая микроскопия

3.3.1. Контактные методики

3.3.2. Динамические контактные методы

3.3.3. "Полуконтактные" методы

3.3.4. Бесконтактные методы

3.3.5. Многопроходные методы

Вопросы для самопроверки:

1) В чем электронный микроскоп превосходит оптический?

2) Что такое туннельный эффект?

3) В чем заключается принцип действия просвечивающей электронной микроскопии?

4) В чем заключается принцип действия сканирующей электронной микроскопии?

5) В чем разница между туннельной и атомно-силовой сканирующей микроскопией?

4. Технологии производства объемных нанокомпозитов (8 часов)

[1] с. 50-64, [2] с. 31-48, [3] с. 15-147

4.1. Основные методы получения консолидированных наноматериалов

4.2. Получение порошковых наночастиц

4.2.1. Химические методы

4.2.2. Физические методы

4.2.3. Механические методы

4.3. Консолидация объемных конструкционных нанокристаллических материалов

4.4. Наноструктурирование при кристаллизации аморфных сплавов

4.5. Наноструктурирование полимеров

Вопросы для самопроверки:

1) Перечислите способы получения обхъемноструктурированных наноматериалов.

2) Как происходит процесс спекания? Что при этом важно контролировать?

3) Какие особенности наноструктурирования из аморфных сплавов?

4) Приведите примеры наноструктурированных полимеров.

5. Особенности свойств объемных наноструктурных композиционных материалов. (8 часов)

[1] с. 68-115, [2] с. 57-75, [6] с. 27-15

5.1. Физические свойства

5.2. Механические свойства

5.3. Примеры свойств отдельных объемных нанокомпозитов

5.3.1. Стали

5.3.2. Титан и его сплавы

5.3.3. Алюминиевые сплавы

5.3.4. Твердые сплавы

5.3.5. Керамика

5.3.6. Полимеры

Вопросы для самопроверки:

1) Как влияет нанозернистость материала на физические свойства?

2) Прочность и пластичность наноструктурированных материалов. В чем отличие от материалов с обычным размером зерна?

3) Каких значений механических свойств можно добиться у наноструктурной керамики?

4) В чем заключается особенность введения в полимеры наночастиц?

6. Применение композитных наноматериалов в машиностроении (4 часа)

[1] с. 128-159, [2] с. 90-107, [7] с. 77-89

6.1. Использование нанокомпозитных материалов в транспортном машиностроении

6.2. Использование нанокомпозитов для военной техники

6.3. Использование нанокомпозитов для космической техники

6.4. Использование композиционных наноматеиалов для энергетики

Вопросы для самопроверки:

1) Как применяются нанотехнологии в автомобилестроении?

2) В чем заключается свойство жидкой брони?

3) Где используются наноматериалы при создании современных летательных аппаратов?

4) На чем основан принцип действия солнечных батарей?

7. Наноструктурные покрытия (4 часа)

[2] с. 118-145, [6] с. 154-161

7.1. Технология нанесения нанопленок и нанопокрытий

7.2. Строение и свойства наноструктурных покрытий

Вопросы для самопроверки:

1) Чем характеризуются наноструктурные покрытия?

2) Как сказывается уменьшение размеров зерен в наноструктурных по-крытиях на их твердости?

3) Как сказывается уменьшение размеров зерен в наноструктурных по-крытиях на пределе текучести?

4) Чем обладают наноразмерные кристаллические зерна в покрытиях по сравнению с крупнозернистым материалом того же состава?

8. Нанокомпозиционные покрытия для машиностроения (4 часа)

[1] с. 164-187, [2] с. 165-182, [7] с. 196-208

8.1. Теплозащитные покрытия

8.2. Покрытия с высокой усталостной прочностью

8.3. Износостойкие покрытия

8.4. Антифрикционные покрытия

8.5. Жаростойкие покрытия

8.6. Коррозионно-стойкие покрытия

8.7. Металлополимерные покрытия с высокой электропроводностью и износостойкостью

8.8. Высокопрочные износостойкие полимерные покрытия с наноструктурными наполнителями

Вопросы для самопроверки:

1) Что необходимо для снижения вероятности образования трещин в теплозащитных покрытиях в процессе циклического нагружения?

2) Как влияет наноструктурирование поверхности на усталостную проч-ность?

3) Какова роль твердых фаз TiN, TiB, TiB2 в составе нанокомпозитных покры-тий Ti-Si-N, Ti-B-N и Ti-Si-B-N?

2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ

ДЛЯ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (32 ЧАСА)

Темы лекций	Объем, ч.
Введение	1
1. Структура наноматериалов	3
2. Общая характеристика и классификация композиционных материалов	2
3. Методы исследования наноматриалов	8
4. Технологии производства объемных нанокомпозитов	8
5. Особенности свойств объемных наноструктурных композиционных материалов.	3
6. Применение композитных наноматериалов в машиностроении	3
7. Наноструктурные покрытия	2
8. Нанокомпозиционные покрытия для машиностроения	2

3. Темы лабораторных работ (4 часа)

№	Темы лекций	Объем, ч.
1	Применение методик сканирующей туннельной микроскопии при помощи программного обеспечения (флеш-моделей).	2
2	Применение методик сканирующей атомно-силовой микроскопии при помощи программного обеспечения (флеш-моделей).	2

4. Темы практических занятий (6 часов)

№	Темы практических занятий	Объем, ч.
1	Изучение возможностей применения ПЭМ в нанотехнологических исследованиях.	3
2	Изучение применения ПЭМ высокого разрешения для анализа структуры наноматериалов.	3

5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Основной:

1.  Солнцев, Ю. П., Пряхин и специальные материалы: учебник для вузов. – СПб.: Химиздат, 2007. – 284 с.

, Рагуля материалы. М.: Академия, 2005, 192 с. , Александров материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с. Перспективные материалы: структура и методы исследования / Под ред. . Тольятти: ТГУ – МИСИС, 2006. 536 с. глеродные нанотрубы и родственные структуры / Пер. с англ. под ред. . М.: Техносфера, 2003. 336 с.

Дополнительный:

Гусев. А. И., Ремпель материалы. М.:Физматлит, 2001. 224 с. Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р. Андерс и др. Нанотехнологии в ближайшее десятилетие / Пер. с англ. М.: Мир, 2002. 292 с. и др. Кластеры, структуры и материалы наноразмера: инновационные и технические перспективы. М.: Издательский дом "Руда и металлы", 2005. 128 с.

_____________________________________________________________________________

Разработчики:

кафедра МиТХИ ст. преподаватель