Наноструктуризация материалов. Путь к их совершенству

Министерство образования Российской Федерации

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Тема: Наноструктуризация материалов. Путь к их совершенству. 
 
 

Курсовая  работа студентки 1 курса 
специальность: 80105.65 
Воронина М.А., шифр: 07011221020 
Работа сдана: 
Проверил: Радчук Н.Б. 
 

Санкт-Петербург.

2010.

Оглавление

Введение 3

Метод получение наноматериалов - Получение наноматериалов методом равноканального углового прессования 8

Создание наноматериалов кремния и углерода. 8

Применение нанотехнологии: 12

Будущее - за наноструктурированными материалами. 14

Список литературы 15

Введение

Наноструктурированные материалы – одна из важнейших  целей нанотехнолологии на современном этапе. Некоторые такие материалы уже появились на рынке товаров. Огромное число исследований и разработок обещают создать новые наноматериалы с самыми необычными характеристиками в самое ближайшее время.

Наноструктурированные материалы можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым материалам можно отнести (однокомпонентные) наноструктурированные материалы, содержащие в своем составе неупорядоченным (случайным) образом упакованные наноструктуры одинакового химического состава и размера. Как правило, такие материалы формируются на основе использования нанопорошков. Группа простых наноструктурированных материалов велика, технологии их получения просты. К простым материалам можно отнести наномодифицированные косметические материалы (кремы для загара, содержащие в своем составе наночастицы окиси циркония), защитные покрытия на текстильных материалах или других изделиях, смазочные покрытия, краски, лекарственные материалы, продукты питания, упаковочные материалы, бумагу, мембранные материалы, компактироваемые наноструктурированные керамики, разнообразные нанокомпозитные пленки, объемные нанокомпозитные материалы и т.д. Свойства простых материалов определяются в значительной степени свойствами наноструктур, включенных в материал. Сами наноструктуры могут быть как однородными по химическому составу, простыми по форме и простыми по архитектуре, так и многокомпонентными и сложными по архитектуре. Простые наноструктурированные материалы – это материалы первого поколения. По мнению большинства экспертов, именно простые наноструктурированные материалы будут доминировать в сфере производства наноструктурированных материалов в ближайшие годы. Именно на их долю будет приходиться 5 % мирового ВВП к 2015 г.

Простые наноструктурированные материалы  имеют улучшенные характеристики по сравнению с ненаноструктурированными материалами того же назначения. В большинстве случаев использование наноструктур вместо микроструктур, применяемых в материалах до последнего времени, приводит к улучшению свойств материала.

Сложные наноструктурированные материалы  можно определить как многокомпонентные и иерархически организованные материалы. Иерархически организованные материалы содержат субструктуры разного уровня масштаба, вложенные друг в друга (типа «русской матрешки»). Такие материалы пока практически отсутствуют на рынке товарной продукции, но именно такие материалы в будущем будут основными. Биологические материалы относятся к «сложным» материалам и именно иерархичность их строения определяет их уникальные свойства и, в первую очередь, «разнообразие» их свойств при «однообразии» их химического состава. Примером искусственно созданных материалов, имеющих иерархическое строение, которые находят применение, являются фотонные кристаллы и микроструктурированные волокна

Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных  материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.

Развитие  наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению  уровня технологии и созданию новых  функциональных устройств.

Определяющими характеристиками являются характерные  размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.

Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой  механике и необходимости использования  синергетических подходов.

Прогресс  в микроэлектронике – повышение  функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает  ситуация, когда все в большей  мере проявляется волновая природа  электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.

Традиционная  кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.

В магнитных  многослойных наноструктурах с чередующимися  ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.

Молекулярные  наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.

Фотонные  материалы – это упорядоченные  системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии.

Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое  изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.

Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.

В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху –  вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.

Основу  приборов молекулярной наноэлектроники  составляют молекулярные кластеры или  отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.

Нанотехнология  позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.

В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные  квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся  спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.

При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии. 

Метод получение наноматериалов - Получение наноматериалов методом равноканального углового прессования

Показан процесс получения наноматериалов используя метод равноканального углового прессования (РКУП) и повышение ударной вязкости образцов после РКУП, а также применение изделий из наноструктурированной стали. Получены метизные изделия из наноструктурированной стали. 1. Область применения Трубопроводный, железнодорожный, автомобильный транспорт, газонефтедобывающая промышленность – хладостойкие, износостойкие, с высоким пределом усталости метизные изделия: разъемные соединения деталей машин и элементов конструкций. В области энергетики – износоустойчивые механические форсунки горелок котельных и др. 2. Характеристика Увеличение сопротивления болтового соединения разрыву и срезу. Метизные изделия – болты и гайки изготовлены из ультрамелкозернистой стали, полученной интенсивным пластическим деформированием (ИПД), а также ИПД и термической обработкой обеспечивают увеличение прочностных характеристик изделия примерно в 2 раза. 3. Научно-технический уровень Изготовлена опытная партия болтов и гаек. Болтовое соединение прошло лабораторные испытания. После обработки методом РКУП повышаются механические характеристики материала, улучшается качество обрабатываемых заготовок.

Создание  наноматериалов кремния  и углерода.

Среди наноструктурированных материалов, над созданием которых работают казахстанские ученые, можно выделить кремний и углерод. Материалы  на основе кремния, ориентированные  на использование в основном в  энергетике, разрабатывает преимущественно НИИ экспериментальной и теоретической физики при КазНУ им. аль-Фараби (см. раздел «Кремнийсодержащие материалы»), углеродсодержащими материалами занимается в большей степени по сравнению с другими НИИ и вузами Институт проблем горения при КазНУ (7 отчетов о НИОКР из 18 и 2 диссертации). Синтезируются продукты многофункционального назначения.                               

 Среди  наноструктурированных  материалов,  над созданием которых работают казахстанские ученые, можно выделить кремний и углерод. Материалы на основе кремния, ориентированные на использование в основном в энергетике,  разрабатывает преимущественно НИИ экспериментальной и теоретической физики при КазНУ им. аль-Фараби (см. раздел «Кремнийсодержащие материалы»), углеродсодержащими материалами занимается в большей степени по сравнению с другими НИИ и вузами Институт проблем горения при КазНУ (7 отчетов о НИОКР из 18 и 2 диссертации). Синтезируются продукты многофункционального назначения.

    В диссертации М А. Бийсенбаевой получены нано-структурированные углеродные образования при пиролизе углеводородов  на катализаторах и карбонизации растительного сырья. Разработаны  способы синтеза наноуглеродных   материалов-сорбентов. Предложен механизм роста нитевидных наноразмерных форм каталитического углерода. 

    В следующей работе опробован экспериментальный  образец сорбента, сформулированы принципы получения наноструктурированных  материалов. На поверхности сорбентов  выявлены 7 разновидностей наночастиц, выведены зависимости их роста от химического состава и структурной упорядоченности исходных матриц. Зафиксированы   фуллеритовые частицы и фуллереновые структуры. Показано наличие   нанотрубок, имеющих неграфитовую структуру.  Создан атлас наноструктурированного вещества.         

    Изучены условия образования углеродных нанотрубок и фуллеренов из углеродсодержащего газа в процессе термохимической  переработки в плазмохимическом реакторе постоянного тока. Разработаны технологические рекомендации по получению углеродных нанотрубок и фуллеренов.