Отчет по практике. Отчет по практике Голубев. Автономная некоммерческая организация высшего образования Российский новый университет
 Скачать 60.25 Kb.
|
Глава 2. Свойства композитов на основе углеродных наноматериалов.Анализ состояния и тенденций развития наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что наиболее перспективными являются следующие виды углеродных наноматериалов (УНМ) : – углеродные нанотрубки – протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчивающиеся обычно полусферической головкой; – фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие – алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода; – графен – монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему он рассматривается как перспективный материал, который может заменить кремний в интегральных микросхемах. 2.1 Свойства углеродной нанотрубки.Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой жесткие упорядоченные углеродные структуры с отношением длины к диаметру ≈1000, так что их можно рассматривать как квазиодномерные объекты. УНТ могут состоять из двух отдельных поверхностей с различными физическими и химическими свойствами. Первая – боковая (цилиндрическая) часть трубки, вторая – закрытый торец, по форме напоминающий половину молекулы фуллерена. В зависимости от способа свертывания графенов существуют три формы цилиндрических углеродных нанотрубок: ахиральные типа «кресло» (две стороны каждого гексагона ориентированы перпендикулярно оси УНТ), ахиральные типа «зигзаг» (при параллельном положении к оси) и хиральные (любая пара сторон гексагона расположена к оси УНТ под углом, отличным от 0 или 90°) [9]. Углеродные нанотрубки могут быть как однослойными, так и многослойными. В особую группу выделяют двухслойные углеродные нанотрубки (переходный вариант). Однослойные нанотрубки встречаются достаточно редко, чаще при получении образуются многослойные нанотрубки. Как правило, в многослойных нанотрубках больше дефектов, чем в однослойных. Дефекты могут существенно влиять на электронные, механические и химические свойства нанотрубок. В сформировавшихся нанотрубках под действием механических или иных воздействиях могут появиться точечные дефекты. Углеродные нанотрубки обладают высокой прочностью, которая проявляется в их способности сопротивляться деформированию и разрушению под действием внешних нагрузок. Особенно высока их прочность на растяжение, значение которой характеризуется модулем Юнга. Чем больше модуль Юнга, тем менее податлив материал действию приложенной к нему нагрузки. Можно предположить, что углеродные нанотрубки, обладая столь большой прочностью, должны быть очень жесткими и трудно сгибаемыми, однако в действительности это не так из-за того, что они являются весьма тонкими. Углеродные нанотрубки проявляют высокую гибкость при изгибе: под действием нагрузки они способны гнуться как соломинки, не ломаясь, и распрямляться без повреждений после снятия нагрузки. Нанотрубки можно многократно изгибать без разрушения, что свидетельствует об их высокой эластичности. Особенно большой гибкостью обладают однослойные нанотрубки: их можно завязывать в узел и снова выпрямлять, не причиняя им вреда. Более жесткими являются многослойные нанотрубки. 2.2 Области применения углеродной нанотрубки.УНТ обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов: хорошая электропроводность и адсорбционные свойства, способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов, диамагнитные характеристики, химическая и термическая стабильность, большая прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации. Материалы, созданные на основе УНТ, могут успешно использоваться в качестве структурных модификаторов конструкционных материалов, аккумуляторов водорода, элементов радиоэлектроники, добавок в смазочные материалы, лаки и краски, высокоэффективных адсорбентов, газораспределительных слоев топливных элементов. Широко обсуждается возможность использования углеродных наноструктур в тонком химическом синтезе, биологии и медицине. Модификация углеродных наноматериалов и создание на их основе новых композитов позволяет расширять диапазон применения существующих полимеров. На базе таких композитов создаются материалы не только с улучшенным комплексом физико-механических свойств, но и обладающие новыми свойствами (электропроводные композиты, композиты для защиты от электромагнитных излучений, ударопрочные композиты и др.). 2.3 Углеродные нановолокна.Одной из структурных разновидностей наноматериалов на основе углерода являются углеродные нановолокна, к которым принято относить нитевидные наноразмерные углеродные частицы, не имеющие ярко выраженной цилиндрической ориентации графеновых слоев, а также внутренней полости. Углеродные нановолокна представляют собой нитевидные частицы диаметром до 150–200 нм и длиной от нескольких до сотен микрометров. Их стенки состоят из графенов – углеродных сеток, в котором атомы углерода расположены в соединенных между собой углах шестиугольников. К нановолокнам относятся моно- и поликристаллические волокна нанометровых поперечных размеров. Производство углеродсодержащих продуктов в виде ультрадисперсных алмазов (УДА) и ультрадисперсного алмазографита (УДАГ) основано на использовании высокоэнергетических методов синтеза. При этом получают новый класс синтетических материалов с повышенной поверхностной активностью и структурообразующими свойствами в ультрадисперсном состоянии с размерами единичных частиц от 3 до 10 нм и удельной поверхностью 350–500 м2/г. Согласно современным представлениям, нанодисперсные структуры, полученные методом детонационного синтеза, представляют собой кластеры типа Сn, где п = 104 –105 атомов углерода. Наиболее часто ультрадисперсная углеродная шихта характеризуется как алмазно-графитовая смесь, содержащая от 50 до 85% алмаза. Геометрия частиц ультрадисперсного алмазографита и морфология их поверхности определяется технологией синтеза. 2.4 Прочность углеродной нанотрубки.УНТ считаются материалом с рекордно высокими значениями предела прочности на растяжение (≈60 ГПа) и модуля Юнга (≈ 1ТПа), что предопределяется прочной химической sp2-связью между атомами углерода, составляющими нанотрубку. По данным квантово-химических расчетов модуля Юнга установлено, что УНТ с большим диаметром более прочные (Е = 1,2 ТПа), чем УНТ с меньшим диаметром (Е = 0,76 ТПа); УНТ с конфигурацией «кресло» более прочные (Е = 1,2 ТПа), чем трубки с тем же диаметром, но с конфигурацией «зигзаг» (Е = 0,825 ТПа). Особенностью деформационного поведения УНТ является то, что, обладая высокой прочностью, они проявляют высокую упругость: под действием нагрузки способны гнуться как соломинки, не ломаясь, и распрямляться без повреждений после снятия нагрузки. Известно, что упругая деформация (которая исчезает после снятия нагрузки) макроскопических твердых тел не превышает 0,01–0,1 %, в то время как упругая деформация УНТ при осевых нагрузках достигает 10–15%. При растягивающих нагрузках превышающих некоторое критическое значение УНТ испытывают пластическую деформацию. Эта деформация начинается примерно с 5 % степени деформирования и далее возрастает до точки разрыва. Это может быть обусловлено тем, что 6-членные циклы стенок УНТ способны перестраиваться, изменяя свою конфигурацию в местах изгиба, т.е. ведут себя подобно макроскопическим резиновым трубкам. В литературе описано вязкоупругое поведение массива УНТ в широком температурном интервале от -196 до 1000 °C в бескислородной среде, что обуславливает получение на их основе резиноподобного материала с хорошими демпфирующими свойствами. УНТ для такого материала получают методом CVD синтеза, они представляют собой очень чистые (99,9 %) одно (22 %)-, двух (68 %)- и трехстенные (10 %) нанотрубки длиной 4,5 мм. С целью изготовления разветвленной сети УНТ, обладающей повышенной вязкоупругостью, образцы подвергают сжатию, что приводит к повышению их плотности от 0,009 до 0,036 г/см3. Механические испытания показывают, что образцы выдерживают значительные сжатия и растяжения, причем после снятия нагрузки наблюдается медленное возвращение материала в исходное состояние. На микроскопическом уровне в недеформированном состоянии УНТ беспорядочно запутаны подобно полимерным цепям в традиционных эластомерах, при этом сформированы многочисленные точечные контакты (node) трубок друг с другом. При нагревании или под действием нагрузки энергия расходуется на преодоление притяжения нанотрубок за счет сил Ван-дер-Ваальса, что приводит к разархивированию контактов между УНТ. После снятия нагрузки/повышенной температуры контакты вновь формируются, обеспечивая материалу вязкоупругость. В процессе растяжения происходит выпрямление, скольжение и связывание УНТ. Установлено, что до 5 % степени растяжения УНТ-резина деформируется обратимо. Относительная степень растяжения, приводящая к разрушению образца, составляет около 100 %. Испытания образцов, подвергаемых периодически изменяющейся нагрузке, показали, что при степени растяжения на уровне 1 % образец выдерживает до миллиона циклов сжатия-растяжения с частотой до 100 Гц без заметных изменений. Углеродные нанотрубки обладают целым набором свойств, представляющих интерес при изготовлении полимерных композитов с новым или улучшенным комплексом свойств. К ним относятся тепло- и электропроводность, оптические, магнитные, сорбционные и иные характеристики. В частности, при изготовлении РТИ важнейшими из них могут оказаться тепло- и электропроводность. 2.5 Электрические характеристики углеродной нанотрубки.Электрические характеристики УНТ обусловлены тригональным строением атомов углерода, где три гибридных sp2 орбитали каждого из них участвуют в образовании s-связей, а р-орбиталь - в образовании общего p-электронного облака, участвующего в переносе электрического заряда. При обсуждении электрических свойств УНТ следует различать: ·проводимость отдельных нанотрубок (одно- или многослойных); ·проводимость массива УНТ; ·проводимость материала, в котором изотропно или анизотропно распределены нанотрубки. Установлено, что электропроводность изолированной ОУНТ зависит от хиральности, наличия структурных дефектов, ковалентно присоединенных радикалов (ОН, СО и т.п.) и др. факторов. Так, ахиральные ОУНТ типа «кресло» обладают металлической проводимостью, а ОУНТ типа «зигзаг» - полупроводниковой. При условии низкой дефектности проводимость металлических ОУНТ составляет порядка 109 А/см2. Для сравнения, медный провод выдерживает плотность тока не более 106 А/см2, а при более высокой плотности тока расплавляется. Хиральные ОУНТ также могут обладать либо полупроводниковой, либо металлической проводимостью в зависимости от величины хирального угла θ (рис. 8) и диаметра d. В изолированных МУНТ соседние цилиндрические слои имеют различную хиральность, которая при переходе от одного слоя к другому изменяется случайным образом. Из-за относительно слабого взаимодействия между отдельными вложенными друг в друга графеновыми цилиндрами (расстояние между отдельными цилиндрами соответствует межплоскостному расстоянию в графите) электрический ток протекает преимущественно в стенке внешней трубки. В целом электропроводность МУНТ ниже, чем в случае ОУНТ. Электропроводность материала, составленного из УНТ, в значительной степени зависит от степени контакта между соседними трубками, а также от наличия и состава примесей. И, наконец, проводимость материала, в котором распределены нанотрубки, зависит от их содержания в дисперсионной среде. Существует понятие «перколяции» или «просачивания» в пористых и гетерофазных материалах. Введение небольшого количества (до 1 % масс.) электропроводящих нанотрубок с высоким аспектным соотношением в диэлектрическую матрицу приводит к появлению у нее электропроводящих свойств. Это обусловлено образованием единой электропроводящей сети в структуре материала. 2.6 Тепловые свойства углеродной нанотрубки.Среди тепловых свойств УНТ различают, в частности такие характеристики как теплопроводность, теплоемкость, коэффициент теплового расширения. Установлено, что УНТ обладают теплопроводностью большей, чем теплопроводность алмаза или какого-либо другого материала, имеющего естественное происхождение. Так, коэффициент теплопроводности вдоль оси УНТ различного строения (длина, диаметр) составляет по литературным данным, в основном от 500 до 5500 Вт/мК (в частности ОУНТ 175 - 5800 Вт/мК, МУНТ >3000 Вт/мК). Для сравнения коэффициент теплопроводности кремния составляет 150 Вт/мК, меди - 400 Вт/мК. При этом коэффициент теплового расширения УНТ меньше, чем у меди. Такие особенности строения и тепловых свойств УНТ привлекательны для использования в качестве составных частей электронных устройств (быстрый и эффективный отвод излишков тепла из внутренних частей полупроводниковых чипов) или в качестве компонента композиционных материалов. Вместе с тем, установлено, что высокая теплопроводность УНТ ограничивается дефектами (вакансии, примеси и др.), при этом влияние дефектов на перенос тепла может быть чрезвычайно высоким, гораздо выше, чем в аморфных или кристаллических материалах. Список используемых источниковhttps://worldofmaterials.ru/321-novyj-podkhod-k-sozdaniyu-kompozitov-s-nanotsellyulozoj Вигдорович Владимир Ильич, Цыганкова Людмила Евгеньевна, Шель Наталья Владимировна, Осетров Александр Юрьевич, Зверева Анна Александровна Углеродные наноматериалы и композиты на их основе // Вестник российских университетов. Математика. 2013. №4-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/uglerodnye-nanomaterialy-i-kompozity-na-ih-osnove. https://gofromagazine.com/nano-likbez.html Структура и физико-химические свойства целлюлоз и нанокомпозитов на их основе / под ред. Л. А. Алешиной, В. А. Гуртова, Н. В. Мелех. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2014. – 240 с. Алешина Л. А., Глазкова С. В., Луговская Л. А., Подойникова М. В., Фофанов А. Д., Силина Е. В. Современные представления о строении целлюлоз (обзор) // Химия растительного сырья. 2001. № 1. С. 5–36. Грунин Ю. Б., Грунин Л. Ю., Никольская Е. А., Таланцев В. И., Гогелашвили Г. Ш. Особенности процессов сорбции паров воды и азота на целлюлозе // Журнал физической химии. 2013. Т. 87. № 1. С. 84–88 Шашок, Ж. С. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях / Ж. С. Шашок, Н. Р. Прокопчук. – Минск : БГТУ, 2014. – 232 с. Стокозенко, В. Н. Нанотехнологии сегодня и завтра / В. Н. Стокозенко // Пром. окраска. – 2006. – № 3. – С. 22–24. Влияние углеродных наноматериалов на свойства лакокрасочных покрытий / С. А. Жданок [и др.] // Инженерно-физический журнал. – 2011. – Т. 84, № 6. – С. 1158–1161. https://yagu.s-vfu.ru/mod/page/view.php?id=24908 Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. – М.: Машиностроение, 2008. – 320 с. Вигдорович В.И., Цыганкова Л.Е. К термодинамике наноструктурированных материалов // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2012. Т. 48. № 5. С. 415-421. Вигдорович В.И., Цыганкова Л.Е. Структура поверхности углеродных микро- и наноматериалов // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2012. Т. 17. Вып. 4. С. 1164-1171. Елецкий А.В. Механические свойства углеродных нанотрубок и материалов на их основе // Успехи химии. 2001. Т. 70. № 2. С. 330-344. Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Книжный дом «Либроком», 2009. 292 с. Клинов Б.Н., Штыков С.Н., Горин Д.А., Иноземцев О.А., Ященок А.М., Колинников Т.А. Физико-химия наноструктурированных материалов. Саратов: Изд-во СГУ, 2009. 217 с. Нгуен Ч.Х., Аношкин И.В., Раков Э.Г. Химическое активирование углеродных нановолокон и нанотрубок // Журнал прикладной химии. 2007. Т. 80. № 5. С. 445-449. |