Наноструктуризация – путь к совершенствованию материалов и технологий

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Ивангородский гуманитарно-технический институт (филиал)

Федерального государственного автономного  образовательного учреждения высшего  профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ЗАЩИЩЕНА С ОЦЕНКОЙ 

 

РУКОВОДИТЕЛЬ

________________     ______                       _______                       _________________          

   должность, уч.степень, звание                         подпись                           инициалы, фамилия

 

 

 

 

Контрольная  работа

 

по дисциплине:  «Концепция современного естествознания»

     

тема: «Наноструктуризация  – путь  к совершенствованию материалов и технологий»

                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛА

СТУДЕНТКА гр. 1-Э                       _______________                  Дмитриева А.С.

                                                            подпись                 инициалы, фамилия

 

г.Ивангород

2013 

 

Введение.

 

     Наноструктурированные  (Нано) материалы – является важнейшей целью Нанотехнологии на современном этапе. Одни из таких материалов уже есть на нашем рынке товаров. Большое число исследований и разработок обещают создать новейшие наноматериалы с необычными характеристиками в недалеком будущем. Их возможно разделить на 2 группы: простые и сложные. К простым материалам можно отнести Нано материалы, в составе которых содержатся неупорядоченным образом упакованные наноструктуры одинакового химического размера и состава. Такие материалы формируются на основе использования нанопорошков.  Группа простых наноструктурированных материалов огромна, технологии их получения просты. К простым материалам также можем отнести наномодифицированные косметические материалы (бумагу, мембранные материалы, лекарственные материалы, краски, смазочные покрытия и т.д.). Их свойства определяются в большей степени свойствами наноструктур, включенных в материал. Наноструктуры могут являться как однородными по химическому составу, простыми по форме и по архитектуре, так и многокомпонентными и сложными по архитектуре. Наноконструрированные простые материалы – являются материалами первого поколения. Многие эксперты считают, что именно простые наноконструрированные материалы будут доминировать  в сфере производства материалов (наноконструрированных) в ближайшие годы. На их долю будет приходиться 5 % мирового ВВП к 2015 году.

            Простые наноструктурированные  материалы обладают улучшенными  характеристиками по сравнению  с ненаноструктурированными материалами  того значения. В последнее  время в большинстве случаев использование наноструктур вместо микроструктур приводит к улучшению свойств материалы.

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

      Благодаря, уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование), достигался прогресс  в микроэлектронике – повышение  функциональной сложности и быстродействия. Во время перехода к наноразмерам появляется ситуация, когда все в большей  мере проявляется волновая природа  электронов, иначе говоря, проявляются квантово-механические эффекты (интерференция, размерное квантование, туннелирование,). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего возможного использования традиционного масштабирования, а с другой – позволяют использовать принципы обработки информации, которые характерны для биологических объектов, открывают возможности создания новейших функциональных элементов.

       В наше время требования, которые предъявляются к нанообъектам, традиционная кремниевая технология не обеспечивает по разбросам и размерам. Огромное применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Такими материалами являются искусственные, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ. Данные подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры дальнего ИК-диапазона и ближнего, 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 дает возможность использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.

      Молекулярные  наноструктуры являются неотделимой частью нанотехнологии, включая полимеры, единичные молекулы и молекулярные ансамбли. Упорядоченными системами, являются фотонные  материалы, в которых находится зонный спектр для фотонов. Для примера можем рассмотреть, самоорганизованные нанопористые структуры и опаловые матрицы, например, основой является оксид алюминия. Материалы, которые предоставлены, низкопороговых лазеров, управления световыми потоками, способствуют созданию систем приемников излучения, и в тоже время в нанотехнологии служат упорядоченными подложками. Фуллереноподобные материалы, на основе углерода и других неорганических материалов,  обладают свойствами такими как: прочность, органических и неорганических молекул, управляемое  изменение размеров от единиц до сотен нанометров, атомов металлов, возможность заполнения полостей молекулами газов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.

       Современные интегральные схемы содержат элементы анометрового 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.

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

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

        В то время,  когда создаются разнообразные  устройства, используются различные  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 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, газонефтедобывающая промышленность – хладостойкие, износостойкие, с высоким пределом усталости метизные изделия: разъемные соединения деталей машин и элементов конструкций, автомобильный транспорт.

       В области энергетики – износоустойчивые механические форсунки горелок котельных и др.

       2. 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.

      3. 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.

       Создание  наноматериалов кремния  и углерода.

     В области наноструктурированных материалов, можно выделить кремний и углерод. Огромный спектр материалов на основе кремния, которые направлены на использование в  энергетике, разрабатывает преимущественно НИИ экспериментальной и теоретической физики при КазНУ им. аль-Фараби углеродсодержащими материалами. Синтезируются продукты многофункционального назначения.                                   

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

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. Создан атлас наноструктурированного вещества. Показано наличие   нанотрубок, имеющих неграфитовую структуру. Изучены условия образования углеродных нанотрубок и фуллеренов, которые содержат углерод газа в процессе термохимической переработки в плазмохимическом реакторе постоянного тока.   

В четвертой диссертации синтез наночастиц осуществлялся в углеводородном пламени с добавкой катализатора. Получены образцы углеродных нанотрубок и нанонитей, а в пятой синтезирован волокнистый углерод наряду со cтруктурами другой морфологии. Предложен  «магнитный» механизм образования и роста наноструктурированных форм углерода.     

В шестой диссертации  разработан для химических источников газа,  метод получения наноструктурированного углерода, разрабатывается плазменный метод  получения перспективных новых материалов из углеводородных газов  - наноуглеродных трубок и фуллеренов широкого назначения. Изучены закономерности и условия образования наноструктур в      плазмохимическом реакторе постоянного тока. Испытана опытная   установка на базе плазмохимического реактора с пироуглеродными электродами. Разработаны технологические рекомендации по получению наноуглеродных композитов.    

Некоторые исследования направлены на разработку материалов полупроводниковых, нового поколения. Так, в Институте органического катализа и электрохимии (ИОКЭ) им. Д. В. Сокольского разработаны комплексные электролиты для электроосаждения тонкопленочного полупроводникового соединения CdTe с нанокристаллической структурой без посторонних примесей. В рамках НИР «Метод получения тонких пленок полупроводников для солнечных элементов» в ИОКЭ разработана технология изготовления наноструктурного  материала CdTe, который может быть использован в гетеро-структурном солнечном элементе.    

Синтезированы сложные трехкомпонентные висмутиты  на основе оксидов висмута, щелочноземельных и редкоземельных элементов. Сложный висмутит EuCaBiO4 является активным фотолюминесцентным материалом и широкозонным полупроводником и может быть использован в производстве тонких пленок в качестве оптического материала в электронной промышленности. EuCaBiO4 относится к числу наноматериалов и рекомендован к применению в производстве опто-волоконных материалов.     

На  основе кварца методом механохимического  синтеза получены порошки: наноразмерные соединения на поверхности кварцевых частиц с участием различных химических элементов, выполняющие роль защитных покрытий на металлической поверхности; разработан способ получения магнитного адсорбента на основе золошлака для очистки воды.