Углеродные нанотрубки. Реферат Углеродные нанотрубки. Реферат по дисциплине Специальные методы формообразования

• Название: Реферат по дисциплине Специальные методы формообразования
• Анкор: Углеродные нанотрубки
• Дата: 10.10.2021
• Размер: 1.41 Mb.
• Имя файла: Реферат Углеродные нанотрубки.docx
• Тип: Реферат; #244686

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Научно-исследовательский университет

Кафедра «Технологии ракетно-космического машиностроения»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Специальные методы формообразования»

«Применение углеродных нанотрубок в производстве машиностроительной продукции»

Студент гр. СМ12-41: Терновских К.А.

Профессор кафедры СМ12: Баскаков В.Д.

Москва, 2020

Оглавление

Введение 3

Углеродные нанотрубки и фуллерены 4

Композиты на основе фуллерена и углеродных нанотрубок 6

Методы получения композитов на основе фуллерена и углеродных нанотрубок 8

Получение композита методом методом волочения 8

Структура композитного материала, полученного волочением 13

Применение керамических волокон 13

Вывод 15

Список литературы 17

Введение

Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидро­ и электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.). Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и пресс­формы, а также износо, коррозионно­, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет наноструктурированная продукция триботехнического направления и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий. При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износоcтойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок и других наноматериалов, так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные трубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономику в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки [1].

Углеродные нанотрубки и фуллерены

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. [2]

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой жесткие упорядоченные углеродные структуры с отношением длины к диаметру ≈1000, так что их можно рассматривать как квазиодномерные объекты [2] (рис. 1).



Рис. 1 Схематическое изображение нанотрубки

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 (рис. 2):

• 
  ахиральные типа «кресло» (две стороны каждого гексагона ориентированы перпендикулярно оси УНТ);
  
• 
  ахиральные типа «зигзаг» (при параллельном положении к оси);
  
• 
  хиральные (любая пара сторон гексагона расположена к оси УНТ под углом, отличным от 0 или 90°) [2].
  

Рис. 2 Типы углеродных нанотрубок:

а – типа «кресло»; б – типа «зигзаг»; в – хиральная УНТ

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 [2].

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].

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 [2].

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 (рис.3) [2].



Рис.3 Фуллерены С₆₀ и С₇₀

Композиты на основе фуллерена и углеродных нанотрубок

Нанокомпозитные материалы могут быть синтезированы на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и кристаллов фуллерена (С60) [3].

Благодаря высоким механическим свойствам углеродные нанотрубки могут стать эффективным усиливающим наполнителем для композиционных материалов. Однако для их широкого использования необходимо наладить их массовое и экономичное производство.

Углерод-60 является типом фуллерена с высокосферичной молекулярной структурой. Его сферические молекулы кристаллизуются при комнатной температуре, образуя гранецентрированную кубическую структуру из восьми сферических молекул С60 по углам куба и шести — по центрам сторон. Благодаря высокосимметричной гранецентрированной структуре кристаллы фуллерена (рис.4) имеют уникальные механические характеристики. Относительное удлинение при растяжении нанокристаллического фуллеренового образца (с зернистостью примерно 50 нм) выше, а скорость деформационного упрочнения аналогичная или ниже, чем для поликристалличсского фуллерена. Кроме того, кристаллы С60 способны полимеризоваться в результате прокачивания при сверхвысоком давлении. Полимеризованные кристаллы С60 не растворимы в органических растворителях (толуол) и имеют большую твердость, чем обычные кристаллы С60. Эта разница в характеристиках вызывает высокий интерес к фуллеренам [3].



Рис. 4 Выращенный методом осаждения из паров кристалл С60

Улучшенные свойства этих углеродных материалов могут быть использованы для приготовления новых композитов углерод/углерод.

Методы получения композитов на основе фуллерена и углеродных нанотрубок

Синтез композитов С60 /УНТ может быть произведен методом волочения. Новый композит С/С получается методом вытягивания серебряной трубки, содержащей УНТ (в качестве волоконного наполнителя) и нанокристаллический фуллерен (в качестве матрицы). Этот метод используется для контроля пространственной ориентации УНТ в матрице. Другая технология изготовления композита может быть представлена методом прокаливания при сверхвысоком давлении. Потенциальные возможности композита (в качестве источника электронов) исследуется путем определения характеристик электронной эмиссии углеродных нанотрубок [3].

Получение композита методом методом волочения

Наиболее важной частью синтеза композита, усиленного волокнами, является контроль ориентации волокон в матрице. Известно, что углеродные нанотрубки могут пластически деформироваться под влиянием внешних нагрузок. Поэтому для приготовления композитов на их основе могут использоваться методы пластической обработки (волочение и экструзия).

Первоначально УНТ и фуллерен были синтезированы методом испарения графита электрической дугой постоянного тока (рис.5) (25В, 300А) в атмосфере гелия (степень чистоты 99,999%) при давлении 5,3 кПа. Камера заполнялась буферным газом – гелием, его атомы «тушили» колебания углеродных фрагментов, препятствуя объединению в стабильные структуры. Поверхность охлаждаемого медного корпуса 3 покрывалась графитовой сажей. Ее выдерживали (1-3 ч) в кипящем толуоле, и выпаривали. Образовался порошок массой не более 10 % массы исходной графитовой сажи. В нем содержалось до 10 % фуллеренов С₆₀ (90 %) и С₇₀ (10 %) [4]. Углеродный порошок, полученный из обломков катода на графитовой плите, был диспергирован в этаноле с помощью ультразвука (для отделения УНТ от примесей). Концентрация УНТ в очищенном углеродном порошке составила около 60%. Средняя длина и диаметр полученных УНТ — около 2,1 мкм и 15 нм соответственно.



Рис.5 Схема установки для метода испарения графита электрической дугой:

1-графитовые электроды; 2-охлаждаемая медная шина; 3-медный кожух;

4-пружины

Нанокристаллический порошок фуллерена получен методом конденсации в инертном газе (рис.6) [5]. Фуллерен, очищенный методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, испарен в атмосфере гелия (степень чистоты 99,999%) при давлении 1,3 кПа. Ультратонкие частицы собраны на поверхности цилиндра из нержавеющей стали, охлаждаемого жидким азотом. Средний размер полученных частиц нанокристаллического фуллерена составил около 50 нм. Смесью нанокристаллического фуллерена и УНТ (с содержанием углеродного порошка в пропорции 6:4) наполнена серебряная трубка, которая затем вытягивалась до получения многожильной нити (рис.7).

Высокоэффективная жидкостная хроматография (жидкостная хроматография высокого давления) – это один из эффективных методов разделения сложных смесей веществ, широко применяемый как в аналитической химии, так и в химической технологии.

Для проведения используют соответствующие приборы – жидкостные хроматографы [6].

В состав жидкостного хроматографа обычно входят следующие основные узлы:

• 
  Узел подготовки подвижной фазы, включая емкость с подвижной фазой (или емкости с отдельными растворителями, входящими в состав подвижной фазы) и систему дегазации подвижной фазы;
  
• 
  Насосная система;
  
• 
  Смеситель подвижной фазы (при необходимости);
  
• 
  Система ввода пробы (инжектор), может быть ручным или автоматическим (автосамплер);
  
• 
  Хроматографическая колонка (может быть установлена в термостате);
  
• 
  Детектор (один или несколько с разными способами детектирования);
  
• 
  Система управления хроматографом, сбора и обработки данных.
  

Помимо этого в состав хроматографа могут входить: система пробоподготовки и предколоночный реактор, система переключения колонок,  постколоночный реактор и другое оборудование.



Рис.6 Схема установки для метода конденсации в инертном газе

Стадии получения композитной нити на основе фуллерена и УНТ:

1. Смесь фуллерена и УНТ, заключенная в серебряную трубку, подвергается волочению до получения нити гексагонального сечения диаметром 1 мм;

2. Семь полученных нитей складываются друг с другом в пучок, формируя многожильную нить;

3. Диаметр полученной многожильной нити уменьшается волочением с 6,0 мм до 0,1 мм [2].



Рис. 7 Схема получения композитной нити на основе фуллерена и УНТ

Волочение тонких проволок – это особая технология на станках, при которой материалы протягивают сквозь круглое или фасонное отверстие (фильеру) специального инструмента – волоки. Работы выполняют на специальном оборудовании – волочильных станках. Результатом процесса является уменьшение заготовки и увеличение ее длины. 

Волочение за­готовки серебряной трубки со смесью фуллерена и УНТ ведут без промежуточного отжига до размера 0,1 – 1 мм по следующей схеме [7]:

• 
  До диаметра 3—3,5 мм применяют однократ­ное волочение. В качестве смазки используют хозяйственное мыло. Волочение на этом переделе можно вести на многократ­ных волочильных машинах со скольжением типа ВМ-13 или СМВ-П-9;
  
• 
  Волочение до размера 1 мм ведут на 15-кратной ма­шине со скольжением типа 15/250;
  
• 
  Затем на машине типа 22/200 до диаметра 0,1 – 1 мм. На этом размере проводится отжиг в камер­ной электропечи при температуре 250°С, выдержка 30 мин.
  

Схема процесса волочения представлена на рис.8.



Рис.8 Схема процесса волочения

Кристалл фуллерена является термически нестабильным и возгоняется при температуре выше 853К в атмосфере воздуха. При этом в полученном композите изначальная морфология остается неизменной даже после термической обработки при 1243К в течение 54 с.

Структура композитного материала, полученного волочением

На рис. 9 изображено поперечное сечение полученного многожильного композитного материала с семью вытянутыми композитными участками. Углеродные нанотрубки не повреждены и ориентированы вдоль нити. Такой композит имеет сложную микроструктуру, включающую прямые УНТ, деформированные УНТ и углеродные наночастицы.



Рис.9 Изображение поперечного среза многожильной композитной нити, полученной волочением

Применение керамических волокон

Высокие механические характеристики, высокие значения теплопроводности и электрические свойства УНТ позволяют широко использовать их в различных областях. Изучение механизма полевой электронной эмиссии в УНТ открыло перспективы для использования их в качестве источника электронов в новых тонких плоских дисплеях [3]. Однако непосредственные исследования с помощью ТЭМИ могут дать более точную информацию о механизме электронной эмиссии в УНТ. Композит на основе фуллерена и УНТ, имеющих упорядоченную структуру, является не только идеальным материалом для источника электронов, но и идеальным образцом для исследования характеристик полевой эмиссии индивидуальных УНТ методом ТЭМИ. Композиционные материалы на основе УНТ и фуллеренов также могут заменить собой стали по прочности и другим механическим характеристикам. Полученные таким образом сверхпрочные волокна могут быть использованы многих отраслях промышленности, например, в оборонной для создания сверхпрочных бронежилетов, брони, кабелей.

Вывод

Керамические волокна, полученные на основе фуллерена и УНТ показывают улучшение качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износоcтойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д.) по сравнению с классическими машиностроительными материалами, что может служить причиной для их развития и впоследствии замещения сталей и других материалов общего машиностроения в производстве ракетно-космической техники и других отраслях.

Список литературы

[1] Кочанов Д.И. Наноматериалы и нанотехнологии для машиностроения: состояние и перспективы применения / Кочанов Д.И. // Нанотехника. – 2011. – №2. – С.30-34.

[2] Шашок Ж.С. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях / Ж.С. Шашок, Н.Р. Прокопчук. – Минск : БГТУ, 2014. – 232 с.

[3] Полимерные нанокомпозиты / под ред. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю ; пер. с англ. А.Е. Грахова под ред. и с предисл. Н.И. Бауровой. - Москва : Техносфера, 2011. - 687 с.

[4] Григорьев С.Н., Грибков А.А., Алешин С.В. Технологии нанообработки : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств" / С.Н. Григорьев, А.А. Грибков, С.В. Алешин. - Старый Оскол : ТНТ, 2011. - 319 с.

[5] Компактирование нанопорошков [Электронный ресурс] /Студенческие рефератные статьи и материалы;- Режим доступа: https://studref.com/, свободный. (Дата обращения: 26.05.2020 г.)

[6] Высокоэффективная жидкостная хроматография [Электронный ресурс] /Pharmacopoeia.ru;- Режим доступа: https://pharmacopoeia.ru/, свободный. (Дата обращения: 26.05.2020 г.)

[7] Технологический процесс изготовления проволоки из цветных металлов и сплавов [Электронный ресурс] /MarkMet;- Режим доступа: https://markmet.ru/, свободный. (Дата обращения: 26.05.2020 г.)