Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Механические свойства углеродных наноструктур. Ковалентная связь между атомами углерода очень прочная. Поэтому квантовые нити (углеродные нанотрубки) на основе углеродных структур также очень прочны. Было подсчитано, что трос, изготовленный из углеродных структур, может быть спущен со спутника на Землю, и по нему может двигаться лифт. При этом углеродные структуры являются единственным материалом, трос из которого не порвется под собственной тяжестью. Если к концу вертикальной тонкой проволоки, другой конец которой закреплен, присоединить груз, то проволока растянется. Механическое напряжение в проволоке σ будет пропорционально относительной деформации ε. Причем ε = Е σ. (13-17) Коэффициент пропорциональности Е называется модулем Юнга и является свойством конкретного материала, характеризующим его упругость. Чем больше модуль Юнга тем менее податлив материал к действию нагрузки. Модуль Юнга для стали примерно в 3000 раз больше, чем у резины. Для нанотрубки он в десять раз больше, чем у стали. Это подразумевает, что углеродная нанотрубка очень жесткая и трудно сгибается. Однако это не совсем так, т.к. трубка очень тонкая. УНТ очень упруга при изгибе. Она гнется как соломинка, но не ломается. Большинство материалов ломаются при изгибе из-за присутствия дефектов. Так как стенки УНТ имеют высокую степень струтктурного совершенства этого не происходит. Другая причина того, что они не ломаются, состоит в том, что углеродные кольца стенок в виде правильных шестиугольников при изгибе меняют свою структуру, но не рвутся. Важными механическими свойствами обладают многостенные углеродные нанотрубки, которые представляют собой цилиндры из моноатомных слоёв углерода, вставленные один в другой (рис.215). При этом внутренние цилиндры могут перемещаться относительно внешних практически без трения. Телескопический эффект полностью обратим. Внутреннюю трубку можно вдвигать и выдвигать, и этот процесс можно повторять многократно. При этом действуют силы, которые в случае УНТ складываются из нескольких составляющих: сил Ван-дер-Ваальса, статических и динамических сил трения. Силы трения малы, их экспериментальная оценка дала величину около 10-14 Ньютона на атом. Эксперименты с фрагментом, приведенным на рис.219, показали, что силы трения остаются постоянными с течением времени. Рис.219 Таблица свойств УНТ
Фуллерен. В 1985 году была открыта ранее неизвестная форма углерода – фуллерены (рис. 220). В настоящее время установлено, что элементарный углерод способен образовывать достаточно сложные поверхности, состоящие из различных многоугольников. Эти структуры называют фуллеренами. Фуллерены в конденсированном состоянии называются фуллеритами, а фуллериты, легированные металлами др. присадками, называются фуллероидами. Рис. 220. Модель фуллерена Фуллерен представлял собой новую аллотропическую форму углерода. В фуллерене каждый атом углерода соединён тремя прочными химическими связями с другими атомами. Это имеет место и на графеновой плоскости. Однако, в отличие от графена, фуллерен образует выпуклую, замкнутую поверхность, состоящую из правильных шести и пятиугольников. По виду он напоминает футбольный мяч. Форма фуллерена С60 аналогична форме футбольного мяча, также состоящего из 12 пятиугольных и 26 шестиугольных фасеток, поэтому часто фуллерен С60 называют «футболино». Фуллерен назван в честь архитектора Б. Фуллерена, который создавал подобные купола у строящихся помещений. Фуллерены представляют собой устойчивые многоатомные кластеры углерода с числом атомов от нескольких десятков и выше. Число атомов углерода в таком кластере не произвольно, а подчиняется определенной закономерности (число атомов в кластере N= 32, 44, 50, 58, 60, 70, 72, 78, 80, 82, 84 и т.д. ряд магических чисел для углеродных фуллеренов). Начиная с восьмидесятых годов были открыты многие фуллерены: С60,С70, …. С600, … , гигантские фуллерены и луковичные структуры, тороидальные и спиральные формы углерода Форма фуллеренов- полый сфероид, грани которого образуют пяти или шестиугольники. Формы фуллеренов могут быть достаточно разнообразными. . Наиболее исследованной является молекула фуллерена, которая состоит из 60 атомов и обозначается С60. Фуллерен С60 обладает наибольшей стабильностью и высокой симметрией. Все атомы в этой молекуле эквивалентны, каждый атом принадлежит двум шестиугольникам и одному пятиугольнику. Структура С60 является полым многогранником и содержит 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, причем каждый шестиугольник граничит с 3 пятиугольниками и 3 шестиугольниками, пятиугольники граничат только с шестиугольниками. Такая структура обеспечивает молекуле C60 необычайную устойчивость. Свободных связей у молекулы С60 нет, и этим объясняется ее большая химическая и физическая устойчивость. Наличие пятиугольников при построении замкнутых объемных геометрических фигур обязательно, именно они обеспечивают искривление графитовых слоев. Длины C–C связей различаются в зависимости от того, на какой границе они находятся: длина C–C связи на границе шестиугольник-шестиугольник равна 0,139 нм, а длина С–С связи на границе шестиугольник-пятиугольник 0,144 нм. Диаметр молекулы С60 равен 0,7024нм. Чистый фуллерен является полупроводником с шириной запрещенной зоны более 2эВ. В центральной области фуллерен С60 полый. Радиус этой полости составляет величину около 0,1058нм. В этой полости могут размещаться атомы других элементов и даже другие молекулы различных материалов, не разрушая целостности самого фуллерена. Так при обработке пленки из фуллеренов парами металла при температуре в несколько сотен градусов Цельсия получаются легированные фуллерены с химическими формулами Х3С60 или ХУ2С60 (Х и У – атомы металлов). Они обладают металлической проводимостью переходят в сверхпроводящее состояние в диапозоне температур от 20 до 55К в зависимости от типа металла . Металлофуллерен CunС60 имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние около 120К, т.е. превышает температуру жидкого азота. Одним из явлений, наблюдаемых в твердых материалах на основе фуллеренов, является сверхпроводимость, причем критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние достаточно высока. Еще в 1991 году было установлено, что при легировании твердого C60 небольшим количеством щелочного металла образуется материал с металлической проводимостью, который при низкой температуре переходит в сверхпроводящее состояние. Уже упоминалось, что в образовании структуры фуллерена принимает участие 3 электрона. Четвертый электрон находится на свободной химической связи. Поэтому данные молекулы обладают важными химическими свойствами. Они могут образовывать полимерные структуры, а также присоединять водород (гидрированные фуллерены), фтор (фторированные фуллерены) и другие атомы. Шарообразные молекулы С60 могут соединяться друг с другом в твердом теле с образованием ГЦК решетки. В таком кристалле молекулы С60 играют ту же роль, что и атомы в обычном кристалле. Расстояние между центрами ближайших фуллеренов в ГЦК решетке, удерживаемых слабыми силами Ван-дер-Ваальса, составляет около 1нм. Фуллерены в твердом состоянии называют фул(л)еритами. Твердые фуллериты представляют собой полупроводники. Они являются одними из лучших фотопроводящих органических материалов. Из них можно изготавливать оптические преобразователи, удваивающие и утраивающие частоту падающего света.
Электродуговое распыление графита. Это самый распространенный метод, разработанный Кречмером (рис.221). Именно так японский ученый Сумио Иджима впервые получил нанотрубки в 1991 году. Суть метода такова: в камере, заполненной инертным газом (чаще всего гелий) , между графитовыми электродами горит электрический разряд, ионизирующий атомы газа. Катод и стенки камеры охлаждаются при помощи воды или жидкого азота. При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25- 35кВ температура образующейся между электродами плазмы достигает 4000 К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада температур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную область плазмы 8 и конденсируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода. Рассматривая этот осадок в электронный микроскоп, можно увидеть наряду с сажей и графитом новые структуры – фуллерены и нанотрубки. При этом часть осадка, содержащая графит, сажу, и фуллерены осаждается на холодные стенки камеры, а часть, содержащая графит и нанотрубки - на катод. Рис.221 Схема установки для получения нанотрубок и фуллеренов На стенках реактора и на катоде осаждается сажа, содержащая от 1 до 40% ( в зависимости от технологических параметров фуллеренов. Отделение фуллеренов из сажи производится с использованием колончатой хроматографии. за счет сепарации Лазерное испарение графита. В этом методе испаряемый лазером графит конденсируется на охлаждаемом коллекторе. Графитовая мишень расположена в длинной кварцевой трубке внутри цилиндрической печки с температурой 1000°С (рис.222). Вдоль трубки с невысокой скоростью прокачивается буферный газ (гелий или аргон). Мишень облучают лазером с энергией 140 мДж, длительностью импульса 8 нс и диаметром 8 около 1,6 мм. Продукты термического распыления графита уносятся из горячей области и осаждаются на поверхности охлаждаемого коллектора. В получаемом осадке помимо наночастичек графита обнаруживаются также фуллерены и нанотрубки.. Плазма- ионизированный газ, в котором атомы теряют несколько внешних электронов и превращаются в положительно заряженные ионы. Важной особенностью лазерного метода является высокая чувствительность характеристик синтезируемых нанотрубок к параметрам лазерного излучения. В частности диаметра нанотрубок прямо зависит от мощности излучения. Это дает возможность получения нанотрубок с заданными структурными параметрами. К недостаткам метода следует отнести его относительно невысокую производительность и трудность масштабирования. Сегодня получение нанотрубок в небольших количествах, достаточных для изучения, стало обычным делом. Проблема теперь состоит в снижении их себестоимости и получении в промышленных масштабах, поскольку рассмотренные выше методы не позволяют достичь этого Рис.222 Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок лазерным испарением графита Метод химического осаждения из пара. Этот наиболее практичный и массовый способ получения углеродных нанотрубок основан на термохимическом осаждении углеродсодержащего газа на поверхности горячего металлического катализатора. Данный метод также получил название метода каталитического разложением углеводородов (рис.223). Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена С2H2 или метана CH4 с азотом) пропускается сквозь кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700-1000°С. В трубке находится керамический тигель с катализатором – металлическим порошком. Разложение углеводорода, происходящее Рис.223 Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок химическим осаждением из пара в результате химической реакции атомов газа с атомами металла, приводит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десятков микрон. Геометрические параметры нанотрубок в существенной степени определяются условиями протекания процесса (времени, температуры, давления и сорта буферного газа и пр.), а также степенью дисперсности и сортом катализатора. Получение нанотрубок и фуллеренов методом химического парового осаждения особенно интенсивно развивается в последнее время, так как позволяет получать большое количество одинаковых нанотрубок на поверхности шаблона. Это открывает путь крупномасштабному получению фуллеренов и нанотрубок и созданию на их основе промышленного производства разнообразной нанопродукции. Как видно из описания, при всех методах получения фуллеренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит часть шлака – сажу, частицы аморфного графита, а в случае использования катализаторов – частицы металлов. Для повышения чистоты полученного продукта используют различные методы очистки – как механические (фильтрация, обработка ультразвуком, центрифугирование), так и химические (промывание в химически активных веществах, нагревание и пр.). Сегодня уже возможно получение макроскопических количеств фуллеренов и нанотрубок (до нескольких литров) практически из любого углеродсодержащего газа (например, обычного природного газа), а ученые пытаются найти наиболее выгодный экономически метод, который позволит получать их пусть не массово, но с минимумом примесей. (Тигель - специальный сосуд для плавки, варки или нагрева различных материалов). Надо сказать, что метод получения наноструктур играет очень важную роль. Он влияет не только на свойства наноструктуры, но и на время ее жизни – то есть период, в течение которого частица способна эти уникальные свойства проявлять. По истечении этого срока наночастицы либо окисляются, либо агрегируются в микрочастицы и приобретают свойства компактных веществ.
Использование наноразмерных веществ в промышленности возможно благодаря разнообразию принципиально новых свойств этих материалов. Ниже представлен краткий обзор применения этого нового класса веществ в электромашиностроении и электроэнергетике. Прежде всего, применение наноматериалов позволяет создавать конструкционные материалы с повышенными механическими свойствами. Изготовление высокопрочных резьбовых изделий из титана и их сплавов. Детали из титана широко используются в авиа- и автомобилестроении. Формирование наноструктуры приводит к повышению долговечности изделия в 1,5 раза. Использование алюминиевых сплавов эффективно для получения легких (по весу) изделий сложной формы в режиме высокоскоростного сверхпластического формообразования. Применение наноматериала позволяет, в свою очередь, достигать более полного заполнения гравюры штампа, что обеспечивает качественное формообразование и значительно снижает усилия при штамповке изделия. В частности снижается температура процесса до 3500С, что на 1000С меньше температуры формообразования литейных сплавов. В настоящее время таким методом получают поршни сложной формы, которые используются в малогабаритных двигателях внутреннего сгорания. В качестве жаропрочных материалов применяются изделия, получаемые компактированием наноструктурных легированных нитридных керамик. Они используются для изготовления двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, режущих пластин. На основе шихты, содержащей наноалмазы, разработаны и используются волоки для холодного волочения проволоки из меди, серебра, золота, платины и др. металлов. Весьма перспективно использование нанопорошков металлов в композиционных материалах, содержащих пластмассы и полимеры. Данный прием позволяет изготавливать пластиковые магниты, электропроводную резину, токопроводящие краски и клей и другие электропроводящие композиционные материалы. Например, на основе нанопорошка Ni получен эластичный слоистый электропроводящий материал, содержащий Ni и каучук в соотношении 2:1 частей по массе, имеющий низкое, стабильное и хорошо воспроизводимое при многократном сжатии электрическое сопротивление проводящих слоев. Материал может быть использован для коммутирования жидкокристаллических и катодолюминесцентных индикаторов, светодиодов и интегральных микросхем к печатным платам. Разработаны полимерные материалы с добавками нанопорошков металлов с контролируемым уровнем горючести. Определено, что механизм разложения полимеров зависит от содержания наноприсадок: при концентрациях порядка 0,005% металл ускоряет термоокисление материала, а при содержании металла 1% данный процесс замедляется. В качестве добавок использовали нанопорошки Al, Си, Fe. Эффективно применение в композиционных материалах наноразмерного алмаза. Так, добавление наноалмаза повышает микротвердость композиционного материала на основе алюминия в 4-5 раз, а на основе меди — в 3-10 раз. Присадки алмазосодержащей шихты в резину, керамику, пластмассу показали существеные улучшения их характеристик: повышение износостойкости, снижение коэффициента трения, увеличение предельных нагрузок. Нанопорошки уже в настоящее время нашли широкое применение в различных материалах и технологиях электромашиностроения. С разработкой порошковых материалов с наноразмерными частицами стало возможно создание сухих смазочных материалов, твердосмазочных покрытий, карандашей твердой смазки и т. п. Они обладают низким коэффициентом трения, достаточно высокими магнитными свойствами и высокой дисперсностью и, следовательно, практически не оказывают абразивного воздействия на герметизируемую деталь (вал, шток и др.). Магнитопорошковые сухие смазки могут быть удержаны в рабочем зазоре магнитным полем, выполняя в этом случае функцию герметизатора магнитной псевдожидкости. Данная продукция изготавливается из нанопорошков железа, никеля, алмазосодержащей шихты. Увеличению эффективности процессов холодной и горячей обработки металлов давлением способствует применение нанопорошков различного состава в штамповочных смазках. Например, использование нанодисперсных материалов в качестве исходных компонентов при горячем прессовании позволяет получать материалы с уникальными прочностными характеристиками: прочность материалов повышается в 2-3 раза, а твердость в 6-10 раз, положительно влияют на качество отливок из стали, сплавов полунепрерывных слитков из алюминиевых сплавов. В качестве модифицирующих добавок используются нанопорощки А1203, SiC, TiN, TiCN, WC и др. Возможна интенсификация процесса спекания промыщленных порошков путем добавления в качестве активаторов спекания нанопорошков алюминия, никеля, железа, нитрида алюминия и др. Введение всего 0,5-5% масс наноматериалов в промышленные смеси позволяет снизить температуру спекания на 400-800 °С и сократить его время в несколько раз. При этом повышаются твердость и ударная вязкость конечной продукции. Использование добавок из нанопорошков экономически эффективно, поскольку количество этого материала составляет несколько процентов, а разработанная технология изготовления твердых сплавов практически не отличается от традиционной. В настоящее время по данной методике получают твердые сплавы на основе никелида титана со связкой из нанопорошка карбонитрида титана, корундовую и циркониевую керамику с добавлением 1-3% и 0,5-5% нанопорошка алюминия, соответственно. Кварц спекали с добавлением нанопорошка вольфрама. Добавки наноматериалов в качестве гидродинамических пластификаторов позволяют получать при формовании высокоплотные изделия. Присадки из нанопорошков интенсифицируют процесс спекания, упорядочивают синтез соединений, что позволяет снизить температуру обжига на 300-400°С; существенно уменьшают размер пор в изделиях и повышают, тем самым, шлакоустойчивость огнеупоров. Кроме того, нанопорошки металлов добавляют в качестве присадок в абразивные суспензии и пасты для притирочно-доводочных работ. Это позволяет в процессе приработки пар трения заполнить впадины и микротрещины частицами дисперсной фазы, что способствует выравни- ванию трущихся поверхностей, залечиванию дефектов, а также разделяет поверхности трения высокодисперсными частицами. Для финишного полирования по 13-14 классам шероховатости эффективны пасты из наноалмаза с размером частиц до 10 нм. Они используются в качестве тонкого полирующего материала при доводочных операциях в процессе изготовления особо точных деталей из различных материалов и сплавов; при полировке ювелирных изделий и полупроводниковых пластин кремния и германия; при изготовлении оптики, лазеров, стекол и зеркал специального назначения(телескопы, микроскопы, лазеры ит.д.). Получение и применение нанокомпозитных материалов в электротехнике является мощным средством энергосбережения. Отличительной особенностью нанотехнологий является производство материалов с наноструктурными компонентами при более низких температурах. Фундаментальной проблемой наноразмерных веществ является определение механизма процесса межзеренного взаимодействия нанокристаллических порошков. Для осуществления качественного процесса формирования наноматериалов необходимо использование комплекса оборудования для магнито-импульсного прессования порошков, что значительно расширяет возможности получения и изучения механизма образования плотных керамических материалов на основе оксидных нанокристаллических порошков. Получение практически 100% плотности на стадии формирования, что невозможно при использовании традиционных методов прессования, похволяет понизить температуру спекания нанокристаллов и уменьшить влияние процессов рекристаллизации на образование нанокерамики. Разработка технологии производства нанокерамики и других магнитных наноматериалов с повышенными механическим и функциональными свойствами позволяет получать новые материалы для магнитопроводов электрических машин. Дешевые, легкие и прочные наноматериалы со временем вытеснят большинство металлов и пластмасс. Углеродные нанотрубки в сто раз прочнее стали при том, что в десять раз легче ее и в тысячи раз электропроводнее. Toyota уже добавляет их в бамперы автомобилей, но массового применения пока еще нет. Это связано тем, что пока нанотрубки получают примитивными, малопроизводительными методами, что обусловливает их слишком высокую для повседневного применения цену: $50-100 за грамм. Перспективно использование наноматериалов для создания защитных, декоративных и износостойких поверхностных покрытий. Уже разработаны технологии получения мелкодисперсных покрытий из Pd, Ir, Rh, Со, Ni, Ag, Си на керамических, кварцевых, металлических, пластмассовых, композиционных изделиях с формой любой сложности. Покрытия из наноматериалов более плотные и коррозионностойкие, однородны по толщине, сохраняются на деталях сложного профиля, лучше паяются по сравнению с гальваническими или полученными вакуумным напылением покрытиями. Получены покрытия из двухфазного композиционного наноматериала, состоящего из металлической матрицы и внедренных дисперсных частиц алмаза. В качестве матриц может использоваться широкий круг металлов: хром, никель, цинк, медь, серебро, золото, кобальт. Композиционные металл-алмазные покрытия характеризуются существенным увеличением адгезии и когезии, повышением микротвердости, износостойкости, коррозионностойкости, уменьшением пористости, хорошими антифрикционными свойствами, высокой рассеивающей способностью. Например, при нанесении хром-алмазных покрытий срок службы прессовой оснастки для холодного прессования порошков металлов увеличивается в 15-20 раз, матриц и пуансонов для глубокой вытяжки металлов — в 2,5-4 раза, ножовочных полотен — в 4-8 раз, газораспределительных валов двигателей внутреннего сгорания — в 2-2,5 раза. После нанесения кобальт-алмазных покрытий на записывающие головки магнитофонов их износостойкость повышается в 6 раз. По сравнению с металлическими покрытиями стойкость алмазосеребряных наноматериалов повышается в 3 раза, ал-мазо-никелевых — в 4-5 раз. Среди многообразия материалов, применяемых в электромашиностроении, ведущая роль принадлежит электротехническим сталям. По накопленным в процессе эксплуатации электрических машин данным, потери в стали энергетических электрических машин составляет 10-20% от общих потерь, а масса электротехнической стали составляет 40-50% от общей массы машины. Как показывает опыт, имеются большие возможности широкого воздействия на свойства электротехнических сталей. Так, например, присадка кремния существенно изменяет свойства материала, вызывая образование больших кристаллов, для которых характерна меньшая площадь петли гистерезиса. Соответственно, для получения минимума потерь и требуемой для проведения магнитного потока через магнитопровод магнитной проницаемости материалов содержание кремния целесообразно увеличивать. Так, увеличение содержания кремния с 1 до 4% приводит к возрастанию удельного сопротивления сплава 2,5-3 раза, что приводит к соответствующему уменьшению потерь от вихревых токов. При этом предел текучести увеличивается почти в пять раз, а предел прочности – в 2,5 раза. Создание новых материалов магнитопровода становится возможным при использовании нанотехнологий путем синтеза их по принципу многофазных композиционных материалов. Для получения высококонцентрированных многофазных сред, определяющих свойства материала, необходимые для создания роторов турбогенераторов, работающих при высоких центробежных нагрузках, применяются материалы, содержащие фуллереновские компоненты. Подтверждается прогноз о том, что перевод магнитных сплавов в нанокристаллическое состояние позволяет получить новый класс магнитных материалов, у которых потери на перемагничивание стремятся к нулю. Для турбогенераторов с высокими частотами вращения эффективность работы зависит, в том числе и от диаметра ротора. Практический интерес, в этом случае, представляет получение легкого и прочного материала для ротора, что может быть достигнуто, например, при использовании матрицы карбида титана или алюмоборонитридной керамики с наноструктурными компонентами. Это позволяет рассчитывать на изготовление ротора турбогенератора с внешним диаметром до 400мм при частоте вращения до 60 000об/мин. Ферриты, на основе оксидов циркония и железо-кобальта, имеет магнитную проницаемость 40-90μ0, что в свою очередь позволит создать новые типы электромеханических преобразователей энергии, характеризующихся уникальными параметрами, особенно по прочностным показателям. |