Нанотехнологии и наноматериалы

Содержание

Введение­­­­­­­  ……………………………………………………………………  3

Что такое наноматериалы? …………………………………………………  4

Конструкционные материалы  ………………………………………………  6

Функциональная керамика  ………………………………………………….  8

Заключение  …………………………………………………………………..  11

Список литературы  …………………………………………………………. 12

Введение

  XXI век ознаменовался революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине).

  Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств.

  В настоящее время интерес к ним увеличивается по ряду причин:

стремлением к миниатюризации изделий, уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии, необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами, развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации, практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия), развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии, технологий получения нанопорошков и т. п., приближением к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т. п.)

Что такое наноматериалы?

  Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К  наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм[1].

  Способы получения наноматериалов можно разделить на две группы:

«сборка из атомов» 

«диспергирование макроскопических материалов»

  Согласно 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004)[2] выделяют следующие типы наноматериалов:

нанопористые структуры[3] наночастицы нанотрубки и нановолокна нанодисперсии (коллоиды) наноструктурированные поверхности и пленки нанокристаллы и нанокластеры.

Сами наноматериалы делят по назначению[4] на:

1Функциональные

1Композиционные  3  Конструкционные.        

  По количеству измерений[5]:

нульмерные/ квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы); одномерные/ квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки); двумерные/квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов); трехмерные/квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).[3]

  Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии.

  Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. В генной инженерии векторы на основе наноматериалов используются для доставки биологически активных веществ в клетки.

Конструкционные материалы6

  Конструкционные материалы(КМ)– это материалы, на основе которых изготавливают детали для машин, инженерных сооружений и конструкций. Они в ходе работы неоднократно будут подвергаться механическим нагрузкам. Такие детали характеризуются большим разнообразием не только форменным, но и эксплуатационным. Их применяют в разных отраслях промышленности, с их помощью делают промышленные печи, детали для автомобилей, их используют в авиационной сфере. Задача производителя выполнить конструкционную деталь, готовую работать при разных температурах, в разных средах и с достаточно интенсивными нагрузками.

  Классифицируются и распознаются по материалу, из которого были изготовлены. Зачастую из металлов предпочитают сталь из-за ее прочности, надежности и легкости в обработке.

Металлические

  За основу материалов берут сплавы, выполненные из стали, чугуна и железа. Данный вид имеет хорошую прочность, детали и элементы используются чаще других. Также используют сплавы с магнитными и немагнитными формами. Применяются цветные и не цветные сочетания металлов. Зачастую это алюминий, но в некоторых деталях возможно использование сплавов на его основе. Сплавы используют в том случае, когда деталь нужно деформировать и преобразовывать неоднократно. Из цветных также используют медь (бронзу), титан.

2

Неметаллические конструкционные материалы

  Неметаллические материалы стали использоваться гораздо позднее предыдущей группы. Развитие технологий помогло создать более дешевую альтернативу. При этом неметаллы также прочны и надежны. Неметаллические конструкционные материалы изготавливают из древесины, керамики, стекла и разных видов резины.

Композиционные материалы

  Композиционные материалы состоят из элементов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. Они позволяют создавать конструкции с заранее определенными характеристиками. Материалы применяют для повышения эффективности. Название состава задается материалом матрицы. Такие материалы все имеют основу. Композиты, имеющие металлическую матрицу – металлические, керамическую – керамические и так далее. Они созданы искусственным путем, материал, который получают на выходе, имеет новый комплекс свойств. Композиционные материалы могут включать в себя как металлические, так и с неметаллические составляющие.

Классификация по техническим критериям.

Материалы с повышенной прочностью; Материалы, имеющие отличительные технологические возможности; Долговечные материалы (элементы, на эксплуатацию которых не влияют механические раздражители); Упругие конструкционные материалы; Неплотные материалы; Материалы устойчивые к природным воздействиям; Материалы, имеющие высокую прочность.

Функциональная керамика7

  Это материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств. Это могут быть материалы с особыми физическими свойствами, например, электрическими, магнитными, тепловыми, оптическими, пьезоэлектрическими и другими свойствами. К функциональным материалам относятся аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы. Как функциональные материалы керамики применяют, например, в качестве резисторов – NbC, SiC; фильтров (пористых изделий) – ZrO2, ZrC, SiC, Al2O3, TiB2, Si3N4, термоэлементов ZrB2, TiC, электродов SiC, LaB6, Y2O3 и др. [1].

  Широкое применение находит пьезосегнетоэлектрическая керамика. Широко используется в радиоэлектронике, гидроакустике и бытовой технике. Исходным сырьём для получения пьезокерамики служат искусственно синтезированные химические соединения, являющиеся сегнетоэлектриками. Наиболее распространены в настоящее время типы сегнетоэлектрической керамики — однофазные керамические материалы на основе отдельных соединений (титанат бария), двойных или тройных твёрдых растворов (цирконат–титанат свинца).

  Существует взаимосвязь состава, структуры, условий получения кислородсодержащих соединений (твердых растворов) с электрофизическими свойствами пьезокерамики.

В керамическом материале вследствие особенностей технологии его изготовления всегда существуют внутренние и внешние дефекты в виде пор, включений, микротрещин. Поры являются одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс разрушения керамики. Как правило, поры локализуются на границах зёрен в особенности на участках стыковки нескольких зёрен. Даже в материалах обладающих высокой плотностью (более 99 %) наблюдаются остаточные микропоры, расположенные преимущественно по границам зёрен. Источником разрушения могут быть микропоры внутри зёрен. Размер пор, инициирующих разрушение в керамических материалах, составляет 20–200 мкм.

  Зависимость диэлектрической проницаемости от морфологии пор и размера зерна, для керамики на основе титаната бария исследована в работе. Установлено, что с ростом относительной пористости от 0 до 0,05 величина диэлектрической проницаемости уменьшается линейно с незначительным наклоном. При увеличении относительной пористости от 0,1 до 0,2 наклон кривой уменьшения диэлектрической проницаемости увеличивается. Наличие протяженных (сквозных) пор также приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости.

  Определяющую роль в получении керамики с высокими показателями диэлектрической проницаемости играет минимизация её остаточной пористости. Высокие значения диэлектрической проницаемости наблюдаются даже для крупнозернистой керамики (размерами зёрен от 1,2 до 60 мкм), при условии достижения 99 % плотности от теоретической. В то же время при снижении плотности керамики до ~82% диэлектрическая проницаемость образцов со средним размером зёрен менее 1 мкм снижается значительно.

  Мелкозернистая керамика имеет ряд особенностей, ярко проявляющихся в области фазового перехода. Например, с уменьшением размера кристаллитов (областей когерентного рассеяния) возрастают микродеформации, которые могут служить причиной подавления сегнетоэлектрических свойств. То есть диэлектрическая проницаемость и величина зерна неоднозначно связаны: возможно, что диэлектрические свойства подавляются при малом зерне. Подтверждением этого служит исследование, в котором экспериментально показано, что диэлектрическая проницаемость титанат-бариевой керамики уменьшается при снижении размеров её зёрен. При температуре 70 °C на частоте 10 кГц, для керамического BaTiO3 диэлектрическая проницаемость уменьшается от 2520 до 780 для образцов со средней величиной зерна соответственно d=1200 нм и d=50 нм.

  Также большое влияние на электрофизические параметры имеет однородность микроструктуры. При экспериментальном рассмотрении формирования петли гистерезиса в керамике на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) показано, что, чем меньше дисперсия распределения зерен по размерам, тем больше вероятность того, что процессы переполяризации пройдут с меньшими механическими напряжениями.

  Плотность керамики, относительная диэлектрическая проницаемость Т 33, тангенс угла диэлектрических потерь tg, механическая добротность Qm, размер и дисперсия распределения зёрен по размерам, размер и дисперсия распределения пор по размерам являются критическими характеристиками при получении пьезокерамики.

  Большинство пьезокерамических порошков также отличаются плохой формуемостью, высокой жёсткостью и низкой прочностью прессовок, что заставляет использовать для производства изделий из них энергоёмкие и специфические способы формования, или традиционные методы формования порошков с большим содержанием пластификаторов, оказывающих негативное влияние на их эксплуатационные свойства.

Заключение

  Несмотря на значительные достижения предшествующих многочисленных разработок, прогресс в совершенствовании указанных материалов в последние годы снизился. Это объясняется тем, что возможности улучшения электрофизических свойств пьезокерамики путём изменения химического состава практически исчерпаны. Вследствие этого на первый план выступает задача поиска новых приёмов совершенствования структуры и морфологии уже существующих материалов, которая может решаться, в частности, за счет применения различных физических воздействий, как при приготовлении исходных порошков, так и в процессе изготовления керамики.

Список литературы:

Основные термины и понятия на Федеральном портале, посвященном нанотехнологиям и наноматериалам. Архивировано из первоисточника 7 апреля 2012.

http://www. portalnano. ru/read/iInfrastructure/russia/net/nns_terms

Статья "Проблема развития нанотехнологии в России и за рубежом". Архивировано из первоисточника 7 апреля 2012.

https://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB

R. V. Lapshin (2016). «STM observation of a box-shaped graphene nanostructure appeared after mechanical cleavage of pyrolytic graphite» (PDF). Applied Surface Science (Elsevier B. V.) 360: 451-460. DOI:10.1016/j. apsusc.2015.09.222. ISSN 0169-4332. Федеральный интернет-портал нанотехнологий и наноматериалов. Архивировано из первоисточника 7 апреля 2012.

http://www. portalnano. ru/read/iInfrastructure/russia/net/nns_terms

Статья "Наноразмерные структуры: классификация и исследование". Архивировано из первоисточника 7 апреля 2012.

  http://www. portalnano. ru/read/iinfrastructure/progn/nanostr

. Биоинженерия «Словарь нанотехнологичных терминов». Роснано. Проверено 14 декабря 2011. Архивировано из первоисточника  7 апреля 2012 . Биоинженерия «Словарь нанотехнологичных терминов». Роснано. Проверено 14 декабря 2011. Архивировано из первоисточника  7 апреля 2012 Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации.– М.: Издательство ЛКИ, 2008.– 344с Интернет сайт http://zewerok. ru/konstruktsionnye-materialy/

1Основные термины и понятия на Федеральном портале, посвященном нанотехнологиям и наноматериалам.

2 Статья "Проблема развития нанотехнологии в России и за рубежом".

3  R. V. Lapshin (2016). «STM observation of a box-shaped graphene nanostructure appeared after mechanical cleavage of pyrolytic graphite» (PDF). Applied Surface Science (Elsevier B. V.) 360: 451-460.

4 Федеральный интернет портал нанотехнологий и наноматериалов.

6 . Биоинженерия «Словарь нанотехнологичных терминов». Роснано. Проверено 14 декабря 2011. Архивировано из первоисточника  7 апреля 2012