Презентация на тему: Лекция 8

Реклама. Продолжение ниже
Лекция 8
Содержание раздела
Фундаментальная основа нанонауки
Увеличение объемной доли поверхностных атомов в наночастицах
Размерные эффекты. Поясняющий пример из оптики
Характерная длина для электронов
Основной фактор, связанный с размером наночастиц, в металлах
Координационное число как характеристика структуры кристаллов
Зерна и поверхности раздела в наноматериалах
Наночастицы и нанокристаллы: основные отличия
Объемная доля ГЗ в наноматериалах
Основные методы получения наноматериалов
Нанотехнологии типа «снизу-вверх» ( bottom-up )
Нанотехнологии типа «сверху-вниз» ( top-down )
Методы «снизу-вверх»
Методы «сверху-вниз»
Газофазный синтез (метод Гляйтера)
Лекция 8
Деформационные методы наноструктурирования материалов
Структура наноматериалов, полученных КГД. Просвечивающпя электронная микроскопия
Лекция 8
Размеры зерен УМЗ материалов, полученных ИПД (нм)
Электронные свойства наноматериалов
Магнитные свойства наноматериалов
Каталитические свойства наноматериалов
Диффузионные свойства наноматериалов
Прочность наноматериалов
Сверхпластичность наноматериалов
Применения наноматериалов. Медицина, лечение рака
Применения наноматериалов. Электротехника, электроника. Мягкие магниты, сердечники
Применения наноматериалов. Ядерная энергетика
Конструкционные применения наноматериалов
Применение наноматериалов в технологии формообразования сложных конструкций
Применения наноматериалов в сверхтвердых покрытиях
Препятствия на пути широкого применения наноматериалов
Миссии ученого-материаловеда и инженера-материаловеда
1/36
Средняя оценка: 4.4/5 (всего оценок: 5)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (9186 Кб)
Реклама. Продолжение ниже
1

Первый слайд презентации: Лекция 8

Современные проблемы, перспективы развития науки о наноматериалах

Изображение слайда
1/1
2

Слайд 2: Содержание раздела

1. Фундаментальные основы материаловедения объемных наноматериалов. Основные методы получения и исследования наноматериалов. Основные свойства объемных наноматериалов. 2. Применения объемных наноматериалов и перспективы применения в будущем. Основные факторы, препятствующие широкому применению наноматериалов и пути их преодоления. 3. Миссии ученого-наноматериаловеда, инженера-материаловеда.

Изображение слайда
1/1
3

Слайд 3: Фундаментальная основа нанонауки

Фундаментальная основа нанонауки заключается в том, что при уменьшении размеров частиц вещества или его структурных составляющих примерно до 100 нм и менее происходят драматические и резкое изменение многих важных параметров и свойств вещества: меняется параметр решетки, температура плавления, цвет (т.е. запрещенная зона и область оптических переходов энергетического спектра), каталитическая активность, магнитные свойства и т.д. Иными словами, многие параметры веществ, обычно считающиеся постоянными, в наномасштабах становятся переменными, зависящими от размера объектов.

Изображение слайда
1/1
4

Слайд 4: Увеличение объемной доли поверхностных атомов в наночастицах

Атомы, находящиеся в слое толщиной 2-3 межатомных расстояния ( d  10 Å ), имеют повышенную энергию, вследствие чего этот слой обладает существенно отличающимися свойствами по сравнению с объемом кристалла. Относительная доля этих атомов с уменьшением размера наночастиц увеличивается, что приводит к постепенному изменению свойств наночастиц. Эти изменения становятся заметными при размерах частиц менее 100 нм. R N s N d  10 Å – толщина поверхностного слоя с измененными свойствами d

Изображение слайда
1/1
5

Слайд 5: Размерные эффекты. Поясняющий пример из оптики

Когда ширина щели b, через которую проходит пучок света, существенно превышает длину волны l, прямолинейное распространение света не нарушается, - щель выделяет плоскопараллельный пучок ширины b. Если же l  b, происходит дифракция света, и картина распределения интенсивности за щелью становится совершенно другой. То есть, при l  b начинает играть роль волновая природа света. Размер l – характерная длина для геометрической оптики, определяющая предел разрешения оптических приборов. Дифракция света на одной щели

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
6

Слайд 6: Характерная длина для электронов

Если размер области в каком-либо измерении становится порядка l B, электронные уровни энергии качественно отличаются от объемных, и свойства металла качественно меняются. В металлах E  несколько эВ, l B  0. 1÷ 1 нм В полупроводниках l B  1 00 нм

Изображение слайда
1/1
7

Слайд 7: Основной фактор, связанный с размером наночастиц, в металлах

В металлах и сплавах в области размеров d  100 нм играет первый фактор – большая объемная доля поверхностных атомов. Т.о., поверхность играет принципиальную роль в свойствах нанообъектов. Поверхность – это вид межфазной границы. которая разделяет две фазы – твердое тело и газ. Это – не геометрическая граница, а физическая область малой, но конечной толщины в несколько межатомных расстояний. В этом слое свойства металла отличаются от объемных. Пример: изменение поверхностной плотности электронного газа в направлении нормали к поверхности металла (осцилляции Фриделя). Отрицательные координаты – область металла

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
Реклама. Продолжение ниже
8

Слайд 8: Координационное число как характеристика структуры кристаллов

На поверхности координационное число меньше, чем в объеме кристалла (для г.ц.к. кристалла z аов. = 8. Если найти среднее значение z, усреднив по всем атомам наночастицы, то z ср = z ср ( d ) < z, и z ср ( d ) убывает с уменьшение размера частиц d. Координационное число z = это число атомов, образующих ближайшее соседство любого выделенного атома. z о.ц.к. = 8, z г.ц.к. = 12, z г.п.у.. = 12

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
9

Слайд 9: Зерна и поверхности раздела в наноматериалах

Поверхность раздела в материале, которая разделяет два по-разному ориентированных зерна или кристаллита, называется границе зерен (ГЗ) или межзеренной границей. ГЗ – не абстрактная поверхность, а физическая область конечной ширины, в которой идеальная структура кристалла нарушена и которая обладает повышенной энгергией и отличающимися от объемных свойствами. Ширина ГЗ составляет d  1 нм. В объемном наноматериале физически выделенные поверхности – это внутренние поверхности раздела, границы зерен, разделяющие по-разному ориентированные наноразмерные кристаллиты (нанозерна). На ГЗ скачкообразно меняется ориентация кристаллической решетки, атомы в этих областях занимают промежуточные положения, не являющиеся узлами ни одной из соприкасающихся зерен.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
10

Слайд 10: Наночастицы и нанокристаллы: основные отличия

Отдельные наночастицы граничат с вакуумом (давление насыщенных паров пренебрежимо мало), поэтому поверхностные атомы имеют наиболее сильное нарушение координации. В объемном нанокристалле между наночастицами имеются границы зерен, состоящие из тех же атомов, но в другом состоянии. Координация нарушена, но в меньшей степени. Приповерхностные атомы двух зерен взаимодействуют друг через другом через границу зерен. Свойства определяются не поверхностью, а межзеренными границами.

Изображение слайда
1/1
11

Слайд 11: Объемная доля ГЗ в наноматериалах

При d < 100 нм значительная доля атомов расположены в ГЗ. Именно поэтому в нанокристаллах следует ожидать существенного вклада зернограничных атомов в свойства материалов. Эта идея и была положена в основу исследований Г. Гляйтера, который в начале 1980- гг. получил нанокристаллы и впервые изучил их свойства.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
12

Слайд 12: Основные методы получения наноматериалов

Изображение слайда
1/1
13

Слайд 13: Нанотехнологии типа «снизу-вверх» ( bottom-up )

1. Дезинтеграция на отдельные атомы 2. Конденсация наночастиц 3. Сборка (компактирование) нанокристалла В методах «снизу-вверх» материал сначала разделяется на отдельные атомы (нгапример, испарением), которые затем объединяются в наночастицы требуемого размера. Далее из наночастиц путем компактирования получают объемный наноматериал. Недостатки: пористость, загрязнения, большие энергозатраты.

Изображение слайда
1/1
14

Слайд 14: Нанотехнологии типа «сверху-вниз» ( top-down )

В нанотехнологиях «сверху-вниз» нанометровый размер частиц или зерен достигается путем измельчения более крупных частиц или зерен твердого тела. Например, деление зерен с сохранением сплошности материала производится путем пластической деформации материала d ~ 100 мкм d ~ 100 нм

Изображение слайда
1/1
Реклама. Продолжение ниже
15

Слайд 15: Методы «снизу-вверх»

1. Газофазный синтез (конденсация паров) 2. Химическая конденсация из паровой фазы ( chemical vapor deposition, CVD) 3. Осаждение из коллоидных растворов 4. Физическое и химическое осаждение пленок и покрытий из газовой фазы или жидкости на подложку 5. Электроосаждение ……………………….. Имеются десятки разновидностей методов получения

Изображение слайда
1/1
16

Слайд 16: Методы «сверху-вниз»

Кристаллизация аморфных сплавов. Шаровой размол Интенсивная пластическая деформация

Изображение слайда
1/1
17

Слайд 17: Газофазный синтез (метод Гляйтера)

Узел компактирования при высоком давлении Узел предварительного прессования Испаритель Вращающийся коллектор, охлаждаемый жидким азотом Скребок Испарение и конденсация проводятся в атмосфере разреженного инертного газа, обычно гелия. Осажденный конденсат специальным скребком снимается с поверхности цилиндра и собирается в коллектор. После откачки инертного газа в вакууме проводятся предварительное (под давлением примерно 1 ГПа ) и окончательное ( под давлением до 10 ГПа) прессование НК порошка. В результате получают диски диаметром 5–15 мм и толщиной 0,2–3,0 мм с плотностью 70–90 % теоретической плотности соответствующего материала ( обычно до 90–95 % для нанокристаллических металлов и до 85 % для нанокерамики). Размер зерен нанокристаллов – от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
18

Слайд 18

Размер зерен составляет около 10 нм. Чаще около ГЗ, реже в зернах наблюдаются поры размерами 0.1-1 нм. Примерная оценка показывает, что поры занимают около 10% объема нанокристалла. Видны плоскости кристаллической решетки, которые имеют различные ориентации а разных зернах. Структура нанокристаллов. Высокоразрешающая электронная микроскопия 5 нм

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
19

Слайд 19: Деформационные методы наноструктурирования материалов

Кручение под квазигидро- статическим давлением (КГД) Равноканальное угловое прессование (РКУП) Метод КГД был впервые использован для получения нанокристаллов в 1985 г. в ИФМ УрО РАН (Свердловск). Метод (РКУП) изобретен в ФТИ АН Белоруссии и впервые использован для наноструктурирования металлов и сплавов в ИПСМ РАН в 1991 г. Он эффективен при получении длинномерных наноструктурных прутков.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/3
20

Слайд 20: Структура наноматериалов, полученных КГД. Просвечивающпя электронная микроскопия

Valiev R.Z., Korznikov A.V., Mulyukov R.R. Mater. Sci. Eng. 1993. V,. A186.P.141 Сплав Al-4%Cu-0.5%Zr После КВД После отжига при 160  С (1 ч) Уже первые электронномикроскопические исследования показали, что границы зерен в УМЗ металлах находятся в неравновесном состоянии, являются источниками внутренних напряжений. В зернах источники напряжений отсутствуют.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/3
21

Слайд 21

Метод всесторонней изотермической ковки Метод разработан в ИПСМ РАН и позволяет получать объемные наноструктурные полуфабрикаты из различных металлов и сплавов, таких как титан и его сплавы, стали, алюминиевые, магниевые, медные, никелевые сплавы, включая трудно - деформируемые никелевые жаропроч - ные и интерметаллидные сплавы. Метод всесторонней ковки основан на глубоком понимании эволюции микроструктуры в различных металлах и сплавах в процессе деформации при повышенных температурах.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
22

Слайд 22: Размеры зерен УМЗ материалов, полученных ИПД (нм)

Материал КВД РКУП ВИК АПС ( ARB) Cu 1 7 0 215 225 Ni 170 350 Fe 100 ВТ1-0 300 400 ВТ6 200 ВТ 8 60 Inconel 718 80 W 100

Изображение слайда
1/1
23

Слайд 23: Электронные свойства наноматериалов

Работой выхода электрона называется энергия, которую необходимо дополнительно сообщить (внешним электрическим полем), чтобы вырвать его с поверхности металла. Исследования в ИПСМ показали, что нанокристаллические металлы имеют значительно более низкую работу выхода, чем обычные поликристаллы того же металла. Например, крупнозернистый никель имеет A вых = 4,5 эВ, а нанокристаллический никель– 3,9 эВ. Это свойство может быть использовано в электронных устройствах.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
24

Слайд 24: Магнитные свойства наноматериалов

Для ряда применений требуются магнитомягкие материалы, обладающие высокой относительной магнитной проницаемостью при возможно более высокой индукции насыщения. Японскими учеными разработан магнитомягкий нанокристаллический сплав Fe–Si–Nb–Cu–B («Finemet»), который обладает более высокими магнитными свойствами, чем обычные магнитомягкие материалы. Магнитные свойства наноматериалов

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
25

Слайд 25: Каталитические свойства наноматериалов

Зависимость каталитической активности от размера частицы золота в реакции окисления СО при 0°С для различных материалов матрицы Благодаря большой площади поверхности, наночастицы обладают очень высокой каталитической активностью.

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
26

Слайд 26: Диффузионные свойства наноматериалов

Благодаря большой объемной доли границ зерен, которые обладают «рыхлой» атомной структурой, наноматериалы обладают большой диффузионной проницаемостью. Коэффициент диффузии в них на многие порядка превышают коэффициент диффузии обычных материалов. Диффузионные свойства наноматериалов

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
27

Слайд 27: Прочность наноматериалов

В соответствии с соотношением Холла-Петча прочность поликристаллов при комнатной температуре растет с уменьшением размера зерен. Поэтому наноматериалы в обычных условиях обладают высокой прочностью, в несколько раз превышающей прочность обычных мтаериалов. Прочность наноматериалов T < 0,3 T пл Соотношение Холла-Петча

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
1/2
28

Слайд 28: Сверхпластичность наноматериалов

При высокой температуре наноматериалы сверхпластичны. При этом показатели сверхпластичности у них выше, чем у поликристаллов с более крупным зерном (при постоянном напряжении возрастает скорость деформации или при данной скорости деформации снижается необходимое для деформации напряжение. Сверхпластичность наноматериалов T > 0,5 T пл p =2, n =2 s - напряжение, - скорость деформации .

Изображение слайда
1/1
29

Слайд 29: Применения наноматериалов. Медицина, лечение рака

Группой ученых из США и Беларуси созданы наночастицы золота, к которым прикреплены антитела, специфично связывающиеся только с теми белками, которые сидят на мембране опухолевых клеток. Передвигаясь с кровью, эти частицы оседают избирательно на раковых клетках. Затем инфракрасным лазерным лучом, для которых ткани тела прозрачны, наночастицы нагреваются. Локальное температурное воздействие убивает злокачественные клетки. Nature Nanotechnology 11, 525–532 (2016). В разных лабораториях разрабатываются другие варианты применгения наноматериалов в борьбе с раком. Клетки плоскоклеточной карциномы, окрашенные зелёным и красным по двум формам белка кератина Кластеры золотых наночастиц на поверхности раковой клетки

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/3
30

Слайд 30: Применения наноматериалов. Электротехника, электроника. Мягкие магниты, сердечники

Магнитомягкие нанокристаллические сплавы широко применяются в изготовлении сердечников трансформаторов для различных электротехнических, электронных устройств Применения наноматериалов. Электротехника, электроника. Мягкие магниты, сердечники

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/4
31

Слайд 31: Применения наноматериалов. Ядерная энергетика

Приводной диск из наноструктурной стали для газовых центрифуг нового поколения для разделения изотопов урана (скорость вращения более 30 тыс. об / мин) приводит к снижению энергопотребления на 10%, повышению надежности работы агрегата, увеличению мощности привода центрифуги. Опытная партия дисков проходит промышленные испытания на одном из предприятий ГК «Росатом».

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/5
32

Слайд 32: Конструкционные применения наноматериалов

Благодаря высокой прочности наноматериалов, они находят применение в качестве конструкционных материалов, особенно при изготовлении изделий, которые требуют материалов с высокой удельной прочностью (отношением прочности к плотности) – в авиации (планерах самлоетов, авиационных двигателях) и космической технике. Конструкционные применения наноматериалов

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/4
33

Слайд 33: Применение наноматериалов в технологии формообразования сложных конструкций

Благодаря высоким показателям сверхпластичности наноматериалов, их можно сверхпластически формовать. Формовка в сочетании с диффузионной сваркой позволяет изготавливать сложные полые конструкции из листов. Применение наноматериалов в технологии формообразования сложных конструкций

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/5
34

Слайд 34: Применения наноматериалов в сверхтвердых покрытиях

Наноструктурные покрытия, нанесенные на материалы, повышают их твердость, износостойкость, что используется в изготовлении режущих инструментов. Применения наноматериалов в сверхтвердых покрытиях

Изображение слайда
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
Изображение для работы со слайдом
1/4
35

Слайд 35: Препятствия на пути широкого применения наноматериалов

В обществе с недостаточно сформированной экономикой знаний, как любая инновационная деятельность, внедрение наноматериалов идет с большим трудом, так как имеются препятствия: слабое патентное законодательство, неразвитая инфраструктура в этой области (нехватка патентных организаций, исследовательских центров, коммуникационных связей, открытых баз данных), недостаток предпринимательского духа, негативное отношение к инновациям и общее пренебрежение или неправильное отношение к талантам. Важнейший фактор – также российская коррупция и «утекание» бюджетных денег, на что бы они не были выделены. В основе лежит неправильное отношение всего общества (менталитет), являющееся благодатной почвой коррупции. Препятствия на пути широкого применения наноматериалов Степанова Г.Б. Препятствия на пути разработки и широкого применения нанотехнологий: http://www.rusnor.org/pubs/articles/10902.htm

Изображение слайда
1/1
36

Последний слайд презентации: Лекция 8: Миссии ученого-материаловеда и инженера-материаловеда

Наряду со всеми молодыми людьми, получающими высшее образование, создавать критическую массу людей в обществе, не приемлющих коррупции, безинициативности, стремящихся к созидательной деятельности: путь через формирование общекультурных компетенций. Добывать новые научные знания, развивать фундаментальную науку. В стране должно быть больше лауреатов нобелевской. демидовской, филдсовской и других престижных премий, тогда и общий уровень растет: путь через формирование профессиональных компетенций Активно внедрять новые разработки в производство: путь через формирование профессиональных компетенций. Миссии ученого-материаловеда и инженера-материаловеда

Изображение слайда
1/1
Реклама. Продолжение ниже