Билет № 3
Материалы со специальными магнитными свойствами.
Пористые наноматериалы и наноматериалы со специальными физико-химическими свойствами .
Неорганические покрытия и способы их нанесения.
Материалы с особыми магнитными свойствами
Природа магнетизма
Магнитные свойства материалов обусловлены магнитными свойствами атомов. В изолированном атоме их возникновение определяется движением электронов но орбитам вокруг ядра и вращением электронов вокруг своей оси (спин электрона), что и приводит к возникновению соответственно орбитального и спинового момента. Магнитный момент всех атомов в единице объема называется намагниченностью I.
Вещество, помещенное в магнитное поле, намагничивается за счет ориентации магнитных моментов атомов (ионов, молекул), намагниченность связана с напряженностью внешнего магнитного (H) ноля соотношением: I = χH, где χ – магнитная восприимчивость (безразмерная величина).
В зависимости от магнитных свойств (знака и величины χ) различают следующие тины магнитных материалов: диамагнетики (χ < 0 и χ 0); парамагнетики (χ
0 и χ > 0); ферромагнетики (χ >> 0); антиферромагнетики (χ >> 0) и ферримагнетики (χ >> 0).
Диамагнетики – вещества, атомы (ионы, молекулы) которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего магнитного поля (P = 0). Во внешнем магнитном поле они незначительно намагничиваются в направлении, противоположном магнитному полю. Диамагнетики – это инертные газы, водород, большая часть органических соединений, а также некоторые металлы – Cu, Ag, Au, Zn, Bi, Sb, Hg и др.
Парамагнетики – вещества, атомы (ионы, молекулы) которых имеют магнитный момент за счет некомпенсированных магнитных моментов электронов. Олнако магнитные моменты всех атомов ориентированы хаотически, поэтому результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего ноля равен нулю. В магнитном ноле эти моменты стремятся ориентироваться в направлении поля (χ > 0), но магнитная восприимчивость очень мала (χ = 10 2...10 °). К парамагнетикам относятся Al, Pt, а также щелочные и щелочноземельные металлы (К, Na, Ca, Mg и др.), кислород.
Ферромагнетики – кристаллические вещества, атомы которых имеют достаточно большой магнитный момент за счет некомпенсированных спинов электронов на недостроенных оболочках. Для ферромагнетиков характерно наличие доменов. Домен – это область кристалла небольшого объема (10-2...10-6 мм3). В домене магнитные моменты атомов ориентированы одинаково, т.е. домен самопроизвольно намагничен до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность не проявляется, так как все домены ориентированы хаотично (рис. 10.11, а), поэтому магнитный поток такого вещества будет равен нулю.
Для ферромагнетиков характерно высокое значение коэффициента магнитной восприимчивости (χ >> 0), т.е. они намагничиваются до насыщения в относительно слабых магнитных полях за счет ориентации магнитных моментов доменов в направлении поля. Доменная структура сохраняется лишь до определенной температуры – точки Кюри. При нагреве выше точки Кюри тепловое движение атомов нарушает доменную структуру (домены исчезают) и материал теряет магнитные свойства.
Ферромагнетиками являются (в скобках указана точка Кюри) железо (768 °С), кобальт (1131 °С), никель (757 °С), гадолиний (16 °С), а также сплавы па их основе.
Антиферромагнетики – кристаллические вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов в пределах небольших областей (доменов) упорядочены и ориентированы навстречу друг другу таким образом, что их результирующий магнитный момент равен нулю. Антиферромагнетики – это редкоземельные металлы (диспрозий, гольмий, эрбий), а также хром и марганец. Под воздействием внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентируются преимущественно по его направлению. При некотором критическом значении внешнего магнитного поля некоторые антиферромагнетики (редкоземельные металлы) переходят в ферромагнитное состояние.
Антиферромагнетики используются как компоненты сплавов с особыми магнитными свойствами.
Ферримагнетики – кристаллические вещества, обладающие доменной структурой (см. рис. 10.11, б). Магнитные моменты доменов компенсируют друг друга лишь частично, поэтому результирующий магнитный момент ферримагнетиков отличен от нуля. Под действием внешнего магнитного поля ферримагнетики намагничиваются.
Рис. 10.11. Доменная структура магнетиков:
а – ферромагнетики; б – ферримагнетики
Ферримагнетики характеризуются значительным (но меньшим, чем у ферромагнетиков) коэффициентом магнитной восприимчивости, аналогичной с ферромагнетиками зависимостью намагниченности от напряженности магнитного поля. Доменная структура сохраняется у этих материалов лишь до определенной температуры (температура Нееля), выше которой вещество теряет магнитные свойства.
К ферримагнетикам относятся двойные оксиды типа МО • Fe2O3 (М – металл; МО – оксид некоторого металла, в частности Ni, Μn, Ва, Со, Sr). Эти соединения получили название ферриты.
Три.
К неорганическим неметаллическим материалам, применяемым для защиты от коррозии металлических поверхностей, относятся эмали, стекло и цемент.
Эмалью называют стекловидную застывшую массу, полученную в результате полного или частичного расплавления и состоящую в основном из кварца и других оксидов. На изделие эмаль наносят одним или несколькими слоями.
Различают два основных способа эмалирования. Наряду с эмалированием, при котором изделие покрывается грунтовкой и покровными эмалями и при этом дважды обжигается, широко используется в последние годы однослойное прямое эмалирование, при котором слой эмали (0,2 – 0,3 мм) может быть уменьшен наполовину. При специальном эмалировании, применяемом в химическом и пищевом машиностроении, обычно наносится многослойная эмаль.
Перед нанесением эмали поверхность стальной детали должна быть обезжирена и протравлена. При этом удаляется некоторое количество металла и поверхность листа становится шероховатой, что способствует адгезии эмалевого покрытия.
С целью снижения пористости при обжиге за счет образования СО2 для эмалирования применяют низкоуглеродистые стали.
Стеклоэмалевое покрытие обладает не только высокой химической стойкостью, износостойкостью, но и обеспечивает незначительное налипание остатков продукта, благодаря чему аппаратура легко моется. Покрытие имеет высокую адгезию к металлу. Общая толщина эмалевого покрытия 0,8 – 1,0 мм.
При эксплуатации эмалированной аппаратуры не допускается превышать давление или резко повышать его даже в пределах рабочего давления, резко нагревать и заполнять переохлажденным продуктом или водой, производить местные термические и механические воздействия, оставлять аппараты открытыми, использовать в качестве моющих и дезинфицирующих средств щелочные растворы.
Недостатки стеклоэмалевых покрытий: чувствительность к ударам, резкой смене температуры, местным перегревам, воздействию щелочей.
Высокую долговечность водопроводных труб обеспечивают цементные покрытия. Для покрытий используется портландцемент с наполнителем в виде мелкого песка.
2. Пористые материалы и материалы со специальными физико-химическими свойствами
Катализаторы, краски, пористые среды, включая фильтры, химические источники энергии и сенсоры – это одни из наиболее характерных приложений наноматериалов в химической и других отраслях промышленности. Пористые наноструктуры используются для диффузионного разделения газовых смесей (например, изотопов и других сложных газов, отличающихся молекулярной массой). Размер пор («окон») в обычных цеолитах изменяется в интервале 0,4 – 1,5 нм и зависит от числа атомов кислорода в циклических структурах, образующих цеолит.
Фотокаталитические свойства нанокристаллического TiO2 нашли применение в приборах для очистки воздуха от органических загрязнений бытового и промышленного происхождения в различных помещениях: квартирах, цехах, детских садах, больницах, офисах и т.д. Принцип работы приборов основан на фотокаталитическом окислении органических примесей на поверхности нанокристаллического TiO2 под воздействием ультрафиолетового излучения.
Схема фотокаталитического очистителя воздуха:
1 - вентилятор, 2 - фотокаталитический элемент с покрытием из нанокристаллического TiO2; 3 - ультрафиолетовая лампа
Ниже показана схема аналитического устройства с подогреваемым сенсорным слоем; отмечена возможность селективного определения СО, СН4 и С2Н5ОН, а также СО, СН4 и Н2 при изменении влажности.
Схема сенсорного устройства на основе пленки SnO2 толщиной0,8 мкм:
1 - кремниевые подложки,
2 - электроды,
3 - сенсорная пленка,
4 - изолятор,
5 - нагреватель
31
В ряде стран (например, в Италии) уже имеется положительный опыт применения нанокристаллических сенсоров для контроля состава атмосферы в районе бензоколонок, однако проблемы снижения стоимости и длительности стабильной работы все еще не решены. Тем не менее, многие положительные качества наносенсоров, такие как высокая чувствительность, селективность, быстрота отклика, возможность изменения их физико-химических и физико-механических свойств, определяют перспективы их широкого применения.
Лекция № 29, 30. Наноматериалы со специальными физическими свойствами: магнитные наноматериалы, проводящие наноматериалы и изоляторы, наноструктурированные полупроводниковые материалы (эмиттеры, транзисторы, выключатели). Наноматериалы для ядерной энергетики. Наноматериалы для медицины и биологии. Микро- и наноэлектромеханические системы: создание сверхмалых копий известных макрообъектов; разработка принципиально новых образцов, не имеющих традиционных аналогов.
Наноматериалы со специальными физическими свойствами
Это весьма многочисленная группа материалов, предназначенных для изготовления магнитомягких и магнитотвердых изделий; проводников, полупроводников и диэлектриков; различных компонентов лазерной, приборной, измерительной, вычислительной и атомной техники.
Магнитные наноматериалы.
В последние годы благодаря изучению свойств наноматериалов, полученных контролируемой кристаллизацией из аморфного состояния, японскими учеными был открыт новый класс магнитомягких материалов с высоким уровнем статических и динамических магнитных свойств по сравнению с аналогичными по назначению кристаллическими и аморфными сплавами. Это сплавы на основе Fe – Si – В с небольшими добавками Nb, Cu, Zr и некоторых других переходных металлов (например, Finemet; в Германии сплавы этого типа называются «Витроперм»).
Проводящие наноматериалы иизоляторы.
Сочетание высокой электропроводности и прочности необходимо при создании материалов для крупных магнитных систем с большой напряженностью магнитного поля. Перспективными в этом плане считаются проводочные нанокомпозиты типа Сu– Nb, технология изготовления которых заключается в совместном холодном волочении медных и ниобиевых прутков. В конечной структуре композита Сu–Nb (18 мас. %) средний поперечный размер ниобиевых волокон составляет около 100 нм; прочность на растяжение достигает 1,25 МПа, а электропроводность составляет около 70 % от электропроводности чистой меди. По достигнутым параметрам разработанные нанокомпозиционные провода были признаны одними из лучших в мире; они изготавливаются в опытно-промышленном объеме во ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара (Москва).
Наноструктурированные полупроводниковые материалы.
Было установлено, что переход к наноструктурам в случае полупроводников сопровождается сдвигом спектров люминесценции в коротковолновую область, увеличением ширины запрещенной зоны и другими явлениями, что находит интересные и важные технические приложения. Монокристаллические наночастицы
CdSe в полимерных матрицах рассматриваются как возможные светодиоды и оптические переключатели для лазерных систем, а также сенсоры в биологических объектах.
32
Схема полевого эмиттера на основе углеродных нанотрубок:
1 – пленка, состоящая из трубок, расположенных перпендикулярно подложке, 2 – изоляция; 3 – сетка; 4 – анод
Высокие эмиссионные свойства углеродных нанотрубок – основа для разработки электронных приборов с холодными катодами (электронные дисплеи, источники рентгеновского излучения, катодолюминесцентные источники света и др.), отличающихся от обычных аналогов пониженными значениями напряжения питания и потребляемой мощности, а также миниатюрностью и малой массой.
Известно много примеров создания экспериментальных диодов и транзисторов, т. е. двух- и трехэлектродных элементов на основе углеродных нанотрубок и других нанообъектов. Схема одноэлектронного молекулярного транзистора показана на рисунке. Кластерные частицы на основе Pd и Pt с лигандными оболочками (соединения типа Pd3(CO)3(P(C6H5)3)4, расположенные в монослойных пленках стеариновой кислоты (пленки Ленгмюра–Блоджетт) на поверхности графита, формируют упорядоченную двухмерную решетку.
Схема молекулярного одноэлектронного транзистора:
1 – пленка Ленгмюра– Блоджетт; 2 – кластер; 3 – управляющий электрод; 4 – игла сканирующего туннельного микроскопа
Наноматериалы для ядерной энергетики.
Пористый бериллий считается перспективным для изготовления тритийвоспроизводящего бланкета термоядерных реакторов. Изделия из бериллия пористостью 20 – 30 % играют роль отражателя и размножителя нейтронов. Для повышения прочности таких изделий и формирования микроячеистой структуры с полностью открытыми порами к обычному крупнокристаллическому порошку бериллия добавляется ВеН2, разложение которого за счет образования наночастиц бериллия способствует укреплению контактов между частицами, а выделение водорода – образованию открытых пор.
Благодаря обилию поверхностей раздела как путей для выхода продуктов облучения нанокристаллическая структура может оказаться полезной и при создании малораспухаемых оболочечных и топливных материалов для тепловыделяющих элементов высокопоточных быстрых и тепловых атомных реакторов.
Наноматериалы для медицины и биологии.
Задача увеличения продолжительности и качества жизни мотивирует интенсивные разработки в области биоматериалов вообще и нанобиоматериалов в частности. Основные области применения наноматериалов в медицине, биологии и сельском хозяйстве весьма разнообразны:
•хирургический и стоматологический инструментарий;
•диагностика, наномоторы и наносенсоры;
•фармакология, лекарственные препараты и методы их доставки;
•искусственные органы и ткани;
33
•стимулирующие добавки, удобрения и т.д.;
•защита от биологического и радиологического оружия.
Рассмотрим наиболее характерные примеры. Как биологически полностью совместимый с живыми тканями титан перспективен в травматологии и стоматологии для изготовления протезов тазобедренных, коленных, челюстных и других суставов, пластин и спиц для костного сращивания, винтов для фиксации позвоночника и т. п. Однако нелегированный титан обладает невысокими механическими свойствами. Методы интенсивной пластической деформации, в частности, равноканальное угловое прессование, позволяют существенно измельчить материал, вплоть до получения зерен размером 100 – 200 нм, что значительно (в 2 – 3 раза) повышает механические свойства. Физико-механические характеристики наноструктурного титана находятся на уровне таковых для его лучших сплавов (например, типа Ti–V–А1), однако последние значительно уступают нелегированному титану по биологической совместимости.
В конструировании наномашин особое значение приобретает понимание закономерностей функционирования биологических систем, на что обращали внимание Р.Фейнман и Э.Дрекслер. Принципами подобия биологических систем занимается биомиметика; наномашины могут быть также созданы и на основе подражания природным аналогам, но особенности работы биомоторов важны вообще для создания стабильных микро- и наноэлектромеханических систем.
Полезно отметить, что существуют, по крайней мере, два подхода к
конструированию наноустройств:
1)создание сверхмалых копий известных макрообъектов;
2)разработка принципиально новых образцов, не имеющих традиционных аналогов.
Р.Фейнман более 40 лет назад в известном докладе, посвященном проблемам миниатюризации, обращал внимание на трудности, возникающие при попытках микрокопирования механических устройств. Например, при общем размере микроавтомобиля 1 мм точность обработки деталей должна соответствовать размерам порядка 10 атомов. Возникает также проблема смазки в нанозазорах, необходимость создания электропривода из нанопроводов и др. Изготовление самих конструкционных деталей микро- и наноразмера требует использования особых приемов порошковой и полимерной нанотехнологии, а также специальных методов сборки, контроля и т.д.
Вто же время создание принципиально новых наноустройств типа наноэлектромеханических систем основывается на неизвестных ранее явлениях. Например, в наноприводах на основе многослойных углеродных нанотрубок используются, как электропроводящие свойства последних, так и их низкие фрикционные характеристики, что, конечно, требует детального изучения и понимания природы этих свойств.
Вотличие от биомоторов такие наноэлектромеханические системы могут работать
вшироком диапазоне температур (от низких температур вплоть до нескольких сотен градусов) и в различных агрессивных средах. Полагают, что такие наномоторы могут найти применение в оптических переключателях, компьютерах и сотовых телефонах.
Сообщается также, что измерение перемещений на уровне тысячных долей нанометра может осуществляться с помощью наноэлектромеханических систем на основе датчика из GaAs (длина 3 мкм, ширина 250 нм, толщина 200 нм) в совокупности с одноэлектронным транзистором.
Понятно, что материаловедческие и технологические разработки, позволяющие за счет создания наноструктур варьировать физико-механические и физико-химические свойства и уменьшить габариты изделий, играют в создании микро- и наноэлектромеханических систем большую роль.
34 |
Скачать 36.76 Kb.