Наноструктурные материалы

ТВОРЧЕСКИЙ  ПРОЕКТ 

 

ТЕМА: Наноструктурные материалы

 

 

 

 

Выполнил ФИО

НАНОМАТЕРИАЛЫ

3

К наноматериалам  условно относят дисперсные и  массивные материалы, содержащие  структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры  которых хотя бы в одном  измерении не превышают 100 нм, и  обладающие качественно новыми  свойствами, функциональными и эксплуатационными  характеристиками.

 

4

5

6

 

нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Следует отметить, что  наряду с термином наноматериалы, который к настоящему времени  получает все более широкое  применение, получили распространение  также равноправные термины «ультрадисперсные  материалы», «ультрадисперсные системы» (в отечественной литературе) и «наноструктурные  материалы» (в западных источниках).

• Представления о нанокристаллах было введено в научную литературу в 80-х годах ХХ века Х. Гляйтером (Германия) и независимо от него активно развивалось в России И.Д. Мороховым с сотрудниками.В России большую роль в исследовании свойств наноматериалов, в разработке новых видов, технологий получения и использования (нанотехнологий) сыграла высшая школа. Начиная с 1985 года в этих работах принимало участие более 30 вузов, в том числе такие московские вузы, как МИСиС, МГУ, МХТИ, МФТИ и др.
• Актуальность проблемы производства нано- и ультрадисперсных материалов определяется особенностью их физико-механических свойств, позволяющих создавать материалы с качественно и количественно новыми свойствами для использования на практике. Это связано с тем, что для материалов таких малых размеров приобретает большое значение квантовая механика, а это существенным образом изменяет механические, оптические и электрические свойства вещества.

 

ОБЪЕМНЫЕ НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

 

• В настоящее время существует три направления получения объемных наноструктурных материалов: контролируемая кристаллизация аморфных материалов, компактирование ультрадисперсных порошков и интенсивная пластическая деформация материалов с обычным размером зерна. В первом варианте переход материала из аморфного в микрокристаллическое и нанокристаллическое состояние происходит в процессах спекания аморфных порошков, а также при горячем и теплом прессовании или экструзии. Размер кристаллов, возникающих внутри аморфного материала, регулируется температурой процесса.

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛЕЙ НАНОСТРУКТУР 

 

• Наноструктурные материалы, вследствие очень малого размера зерен, содержат в структуре большое количество границ зерен, которые играют определяющую роль в формировании их необычных физических и механических свойств. Вследствие этого в проводимых экспериментальных исследованиях и разрабатываемых структурных моделях наноматериалов границы зерен занимают центральное место.
• Уже в первых работах, выполненных X. Гляйтером с сотрудниками, был установлен ряд особенностей структуры нанокристаллических материалов, полученных газовой конденсацией атомных кластеров с последующим их компактированием. Это, прежде всего, пониженная плотность полученных нанокристаллов и присутствие специфической «зернограничной фазы», обнаруженное с появлением дополнительных пиков при мессбауэровских исследованиях.

ОСОБЕННОСТИ  СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Механические: Увеличение твердости (из-за отсутствия протяженных дефектов) в сочетании с высокой пластичностью (благодаря развитой сетке границ). 
Увеличение предела текучести, уменьшение порога хладно-ломкости.

Электрические: Зависимость от размера, полупроводниковый характер проводимости наночастиц металлов (из-за ограниченного числа свободных электронов). Изменение температуры Кюри высоко-температурных сверхпроводников с уменьшением размера частиц.

Магнитные: Зависимость  от размера частиц (максимум при монодоменности) суперпарамагнетизм (при размере частиц менее 1 домена), 
гигантское магнетосопративление, магнитные жидкости, пасты и полимеры (с добавкой УДП).

Термические: Уменьшение температур Дебая, плавления, фазовых переходов, спекания на 15 – 20 % при увеличении теплоемкости (из-за изменения спектра фононов) .

Оптические: Изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения. Увеличенное рассеяние, реализация «черного тела».

Химические: Увеличение растворимости (до 20 - 25 %) в кислотах, понижение температуры реакций, отсутствие «индукционого» периода.

 

 НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА НСМ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

• Специфические микроструктуры в объемных наноматериалах определяют их необычные свойства, многие из которых уникальны и весьма привлекательны для практического использования. Эти специфические качества связаны с изменением некоторых фундаментальных свойств материала при уменьшении размера частиц или зерна, а также с изменением соотношения некоторых объемных и поверхностных свойств.
• К уникальным особенностям наноматериалов относятся отличия их температур плавления и размеров кристаллических решеток от соответствующих величин в материалах с обычной структурой. В связи с этим возникает вопрос о справедливости использования термина «постоянные решетки», применительно к размерам решетки.
• С уменьшением размера частиц растет их поверхностная энергия. В результате изменяется (снижается) температура плавления частицы.

 

4. НАНОПРОВОЛОКИ И НАНОВОЛОКНА 

 

• Нанопроволоки, металлические нанопроволоки для электронных микросхем, а также нанопроволоки из точеных наночастиц («мушек»), выращивают методом конденсации из паровой фазы на ступенчатых подложках. Требуется, чтобы поверхностная энергия материала подложки (субстрата) превышала поверхностную энергию абсорбата. Так, для получения медных проволок требуется подложка из молибдена. На вольфраме, имеющем более высокую поверхностную энергию, формируются цепочки нано-«мушек». Сущность процесса заключается в том, что паровая частица, осевшая на плоскости «ступеньки», под влиянием поверхностных сил диффундирует по плоскости ступеньки в ее угол, где действуют силы двух плоскостей. Процесс позволяет получать нанопроволоки как в виде «прутков» диаметром порядка 3 нм, так и в виде «полосок» такой же толщины с шириной 20...60 нм, Для получения нанопроволок из полупроводников, например из сплава InGaAs и т. п., используются методы селективной эпитаксии. Проволока формируется на «гребешке» подложки между двумя эпитаксиальными слоями.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

 

• Освоение наноматериалов в последние годы уверенно выходит на промышленный уровень. Некоторые страны и объединения (США, Япония, НАТО и др.) вкладывают сотни миллионов долларов вразработку способов синтеза, исследования свойств, производство наноматериалов, изготовление приборов и конструкций с использованием наноматериалов.
• Уже в конце 80-х годов XX века США и Япония ежегодно тратили на исследования в области наноматериалов порядка 110...120 млн. долларов. Только в США более трех десятков компаний ведут на различном уровне работу по их производству. Многие наноматериалы ужедоступны на рынке. В настоящее время они широко используются вмикроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов.

ЛИТЕРАТУРА 

 

• 1.Андриевский Р. А., Глезер А.М. //ФММ. – 2000. – Т. 89. – №1. – с.91– 112.
• 2.Валиев Р.З., Александров И.В. // Доклады РАН. – 2001 – Т. 380. – №1. с.34–37.
• 3.Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. – М.: Логос, 2000.– 272 с.
• 4.Гусев А.И. Нанокристаллические материалы методы получения и свойства – Екатеринбург, 1998 – 200с.
• 5. Дзидзигури Э.Л., Левина В.В., Сидорова Е.Н. и др. // Материаловедение . – 2001. – 39 с. 4–52.
• 6.Карабасов Ю.С. Новые материалы. – М.: Миссис, 2002. – 736с.
• 7. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах. – М.: Наука, 1984. – 472с.