Ультрадисперсные материалы и методы их получения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Сибирский федеральный университет
Кафедра высокоэнергетических
процессов обработки материалов
Г. А. Чиганова
Физико-химические свойства
ультрадисперсных материалов
УДК
ББК
541.18
30.36
Ч-58
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Физико-химические свойства ультрадисперсных материалов»
подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Микро-, наноструктурирование материалы и нанофотоника»,
реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки;
Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин
Ч-58
Чиганова, Г. А.
Физико-химические свойства ультрадисперсных материалов. Презентационные материалы. Версия 1.0
[Электронный ресурс] : наглядное пособие / Г. А. Чиганова. – Электрон. дан. (13 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. –
(Физико-химические свойства ультрадисперсных материалов : УМКД № 91-2007 / рук. творч. коллектива
Г. А. Чиганова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других
производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 13 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ;
операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше.
ISBN 978-5-7638-1071-4 (комплекса)
ISBN 978-5-7638-1070-7 (пособия)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802412 от 22.11.2008 г. (комплекса)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802392 от 21.11.2008 г. (пособия)
Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Физико-химические свойства
ультрадисперсных материалов», включающего учебную программу, конспект лекций, лабораторный практикум, методические указания по
самостоятельной работе, организационно-методические указания, контрольно-измерительные материалы «Физико-химические свойства
ультрадисперсных материалов. Банк тестовых заданий».
Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Физико-химические свойства ультрадисперсных материалов».
Предназначено для студентов направления подготовки магистров 140400.68 «Техническая физика» укрупненной группы 140000
«Энергетика».
© Сибирский федеральный университет, 2008
Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ
Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического
департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся
названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.
Подп. к использованию 01.10.2008
Объем 13 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Оглавление
1. Ультрадисперсные материалы и их получение
1.1. Дисперсность и размерные эффекты
1.2. Ультрадисперсные материалы и методы их получения
2. Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
2.1. Термодинамическое описание поверхностного слоя
2.2. Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
3. Физико-химические явления на межфазной границе
3.1. Основные поверхностные явления
3.2. Электрокинетические явления
4. Кинетические свойства дисперсных систем
4.1. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
4.2. Кинетика химических реакций с участием ультрадисперсных
материалов
4.3. Агрегационные процессы в дисперсных системах
5. Основные области применения ультрадисперсных материалов
4
1. УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОЛУЧЕНИЕ
1.1. ДИСПЕРСНОСТЬ
И РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
6
Дисперсность и размерные эффекты
Зависимость свойств твердого тела
от размерных характеристик
а) параметр
кристаллической
решетки кремния
и диоксида церия;
б) критическая
температура
Сверхпроводимости
и производная
критического магнитного
поля для пленок олова
на стекле;
в) термоЭДС термопары
в зависимости от
толщины пленки меди;
г) зависимость
прочности
на разрыв от толщины
кристалла
Ультрадисперсные материалы и их получение
7
Дисперсность и размерные эффекты
свойство
Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем
10-8
10-7
10-6
r, м
Размерные эффекты
Всесоюзные
и всероссийские
конференции:
Звенигород, 1984 г.;
Рига, 1989 г.;
Томск, 1993 г.;
Обнинск, 1998 г.;
Новоуральск 2000 г.,
Томск, 2002 г.;
Ершово, 2005 г.
Физика, химия, материаловедение, порошковая металлургия,
микроэлектроника, фармакология, компьютерное
моделирование, нанотехнология
Ультрадисперсные материалы и их получение
8
Дисперсность и размерные эффекты
Ультрадисперсные материалы 
материалы или системы с размером
морфологических элементов
менее 100 нанометров
Ультрадисперсные системы  макроскопические
ансамбли малых частиц (размером от 1 до 100 нм)
металлов, полупроводников, диэлектриков.
«Ультрадисперсные среды или ультрадисперсные
системы, как и ультрадисперсные материалы,
характеризуются настолько малым размером
морфологических элементов – частиц кристаллитов, зерен,
пор и др., что он соизмерим с одной или несколькими
фундаментальными физическими величинами этого
вещества (длина свободного пробега электронов или
фононов, размер электрического или магнитного домена,
протяженность дислокации и др.). Причем соизмеримость
может быть в одном, двух или трех измерениях»
Ультрадисперсные материалы и их получение
9
Дисперсность и размерные эффекты
Доля поверхностных атомов
для частиц различных размеров
N – число атомов в частице, d – диаметр частицы
Ультрадисперсные материалы и их получение
10
Дисперсность и размерные эффекты
Зависимость физических параметров
частиц от их размера
Параметры: энергия связи (на атом); энергия Ферми;
ширина запрещенной зоны; температура плавления;
величина ионизационного потенциала
Ультрадисперсные материалы и их получение
11
Дисперсность и размерные эффекты
Занятые электронные уровни в кластерах меди
и электронная плотность состояний
в массивной меди
Число атомов меди: 1; 2; 8; 13
Ультрадисперсные материалы и их получение
12
Дисперсность и размерные эффекты
Электронные спектры молекулы,
наночастицы и кристалла полупроводника
«Переходное» состояние наночастицы
Ультрадисперсные материалы и их получение
13
Дисперсность и размерные эффекты
Физико-химический анализ систем
Зависимость
«состав  свойство»
Фазовая диаграмма системы
Al2O3Cr2O3
Ультрадисперсные материалы и их получение
14
Дисперсность и размерные эффекты
Состав
Структура
Дисперсность
Ультрадисперсные материалы и их получение
Свойства
15
Дисперсность и размерные эффекты
Дисперсионный анализ
0.3 мкм
Полидисперсность порошков
Ультрадисперсные материалы и их получение
16
Дисперсность и размерные эффекты
Распределение частиц по размерам
Ультрадисперсные материалы и их получение
17
Дисперсность и размерные эффекты
Рентгеноструктурный анализ
Метод Дебая – Шеррера
Дефектность структуры
наноалмазов
Ультрадисперсные материалы и их получение
18
Дисперсность и размерные эффекты
Идентификация
фазового состава
по каталогу АSТМ
Дифрактограмма ультрадисперсного Al2O3
Ультрадисперсные материалы и их получение
19
Дисперсность и размерные эффекты
Исследования состава материала включают определение характера
и формы нахождения примесей – в объеме или на поверхности
Токсичность
фуллеренов C60
в зависимости от их
поверхностного
состава
Ультрадисперсные материалы и их получение
20
Дисперсность и размерные эффекты
Зондовая микроскопия
I
US
S
Сканирующий туннельный
микроскоп
Ультрадисперсные материалы и их получение
Схема действия СТМ
21
Дисперсность и размерные эффекты
СТМ-изображение атомной
структуры поверхности графита
Ультрадисперсные материалы и их получение
Поверхность природного
дисульфида молибдена
22
Дисперсность и размерные эффекты
Пленка стеариновой кислоты
Ультрадисперсные материалы и их получение
АСМ-изображение
металлических частиц
23
1.2. УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
24
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Получение ультрадисперсных материалов.
Диспергирование и конденсация
Ультрадисперсные материалы и их получение
25
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Основные типы нанопорошков, разработанных
и производимых в России
(по материалам сборника научных трудов VII Всероссийской
конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем»
Тип
Оксиды,
сложные
оксиды
Карбиды,
нитриды
Методы синтеза
Производители
Электровзрывной,
плазмохимический,
химический,
испарение лазером,
испарение
электронным
пучком,
сжигание аэровзвесей
HИИ BH, РИЦ ПМ, СХК ФГУП «ГНИХТЭОС»,
ФГУП «ОНПП Технология», ГНЦ «Гиредмет»,
ОАО ЧМЗ ООО «Передовые порошковые
технологии», ФГУП ВНИИ ОФИ,
ООО «ТЕХНОМЕТ-МАРКЕТ» Красноярский ГТУ,
МИСиС, ИММ РАН, ИТПМ СО РАН, ФТИ РАН,
ИЭФ Уро РАН, ИФП СО РАН, ИТПМ СО РАН
Электровзрывной,
плазмохимический,
химический,
в дуговом разряде,
испарение
электронным
пучком
HИИ BH, РИЦ ПМ, ИПХТ СО
РАН, ФГУП «ГНИХТЭОС»,
ФГУП «ОНПП Технология»
ИТПМ СО РАН ООО
«Передовые порошковые
технологии» Красноярский ГТУ
Ультрадисперсные материалы и их получение
26
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Тип
Методы синтеза
Производители
Электровзрывной,
плазмохимический,
химический,
газофазный,
пиролиз,
испарение
электронным пучком
HИИ BH, РИЦ ПМ, СХК ФГУП
«ГНИХТЭОС», ООО «НПО
Кластер», ФГУП ВНИИ ОФИ,
ООО «Передовые
порошковые технологии»
МИСиС, ИТПМ СО РАН,
ИЭФ Уро РАН, ИММ РАН,
ФГУП «ОНПП Технология»
ЗАО НПП ВМП, ПП «Актай»
Детонационный
ФНПЦ «Алтай», Комбинат
«Электрохимприбор»,
ООО «НПО Кластер»,
ЗАО «Алмазный центр»,
Красноярский ГТУ
Углерод,
нанотрубки,
нановолокна
Плазмохимический,
пиролиз
ФГУП «ГНИХТЭОС»,
ОАО «Тамбовский завод
«Комсомолец» им. Н. С.
Артемьева», ООО «ТИЦТМ»
Кремний,
силицид железа
Испарение
электронным пучком
ИФП СО РАН, ИТПМ СО РАН,
ИМП СО РАН
Металлы,
сплавы
Ультрадисперсный
алмаз
Ультрадисперсные материалы и их получение
27
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Схема формирования частиц при ЭВП
1 – кластеры; 2 – атомы металла; 3 – атомы инертного
или
молекулы
химически
активного
газа;
4, 5 – структура частицы; 6 – частица композиции AlNAl; 7 – углеродные фазы; 8 – гидроксидные фазы;
9 – аморфная фаза; 10 – кристаллическое зерно;
11 – оксид металла; 12 – поры; 13 – фрактальный
кластер; 14, 15 – частицы Al2O3; 16 – частица
композиции Al – Al2O3.
Ультрадисперсные материалы и их получение
28
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Частицы металлов, полученных
различными методами
50 нм
Частицы серебра,
полученного химическим
методом
ЭМВР агрегатов
наночастиц меди
Ультрадисперсные материалы и их получение
РЭМ-изображение
частиц алюминия,
полученного методом
испарения –
конденсации
29
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
100 нм
Порошок диоксида титана,
синтезированный в плазме дугового разряда
Ультрадисперсные материалы и их получение
30
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Порошок детонационных наноалмазов
Ультрадисперсные материалы и их получение
31
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
а
б
в
Молекулы фуллеренов:
a) C60;
б) C70;
в) C80.
Ультрадисперсные материалы и их получение
32
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Углеродные нанотрубки
Ультрадисперсные материалы и их получение
33
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Примеры нанотрубок:
однослойные и многослойные,
прямые и спиральные
Ультрадисперсные материалы и их получение
Дефекты в нанотрубках
34
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Двумерная модель наноструктурированного материала:
межзеренные области выделены белым цветом
Ультрадисперсные материалы и их получение
35
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Компакт из порошка
ультрадисперсных алмазов
Наноструктурированный
керамический материал
.
Ультрадисперсные материалы и их получение
36
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Распыляемая мишень
Атомы мишени
Подложка
Лазерный пучок
Лазерный пучок
Пленка
Газ
Перемещение
подложки
«Лазерные» методы осаждения
тонких пленок
Ультрадисперсные материалы и их получение
«Зеркальные»
пленки золота
и никеля
37
Ультрадисперсные материалы и методы их получения
Композиционный материал с полимерной матрицей
и частицами оксида алюминия средним размером
3,5 мкм и 100 нм
Ультрадисперсные материалы и их получение
38
2. ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ТЕЛ
2.1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
ОПИСАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ
40
Термодинамическое описание поверхностного слоя
«Избыточная» поверхностная энергия
А
А

B
B
Идеализированная система и система с межфазным слоем
G  s
s
G  s
Коалесценция частиц металла
при температурах ниже температуры плавления
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
41
Термодинамическое описание поверхностного слоя
100 нм
а
б
Агрегаты ультрадисперсных частиц в водной среде (а)
и полимерной матрице (б)
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
42
Термодинамическое описание поверхностного слоя
Формы частиц различной природы, полученных
различными методами
Алюминий, 85 нм
Оксид алюминия, 70 нм
Серебро, 15 нм
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
43
2.2. ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ
НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ТЕЛ
44
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
Влияние дисперсности
на термодинамические свойства тел
1
D
r
Приращение энергии Гиббса –
GD 
2σVM
.
r
Увеличение химического
потенциала –
μ D 
2σVM
.
r
Увеличение давления
насыщенного пара –
 p  2σVM
ln  D  
.
 pS  RTr
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
45
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
Увеличение растворимости –
Уменьшение
температур фазовых
переходов –
Влияние на равновесие
химических реакций –
 cD  2σVM
ln   
.
 cS  RTr
2σVM T
T  TD 
.
rH ф.п.
K 
 GD0  RT ln  D .
 K 
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
46
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
Правило фаз Гиббса для дисперсных систем
Диаграмма углерода
по Лейпунскому
Диаграмма ультрадисперсного углерода
(ОТ1аТ1В – область устойчивости графита)
Влияние дисперсности на термодинамические свойства тел
47
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ЯВЛЕНИЯ НА МЕЖФАЗНОЙ
ГРАНИЦЕ
3.1. ОСНОВНЫЕ
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
49
Основные поверхностные явления
Явления на границе раздела фаз
Адгезия
21
2
1
31
2
3
3
Уравнение Дюпре:
23
Wa  σ 21  σ31  σ 23.
Физико-химические явления на межфазной границе
50
Основные поверхностные явления
«Механический» контакт двух
твердых тел
Физико-химические явления на межфазной границе
51
Основные поверхностные явления
Поверхности твердого тела
одинакового радиуса
Шероховатость “ступенчатой” поверхности влияет
на реальную площадь контакта
Физико-химические явления на межфазной границе
52
Основные поверхностные явления
Смачивание
Закон Юнга:

σ ТГ  σ ТЖ 
cos θ 
.
σ ЖГ
Капля воды
на гидрофобной поверхности
Физико-химические явления на межфазной границе
53
Основные поверхностные явления
Внедрение фуллеренов в углеродную нанотрубку,
осуществленное на основе капиллярных эффектов
Физико-химические явления на межфазной границе
54
Основные поверхностные явления
Протекание жидкости в каналах открытых нанои микрожидкостных структур
Физико-химические явления на межфазной границе
55
Основные поверхностные явления
Адсорбция
Фундаментальное адсорбционное
уравнение Гиббса –
 dσ   Г i dμ i .
Поверхностная активность
вещества –
gi   σ  .
 ai  a0
s
i
Воздух
Вода
Расположение ПАВ
на границе воды с воздухом
Физико-химические явления на межфазной границе
56
Основные поверхностные явления
Адсорбция газов на твердой поверхности
Адсорбция: I – локальная; II – в статистическом монослое
и в микропорах (а); III – многослойная адсорбция и капиллярная
конденсация (в, с); IV – насыщение адсорбированным паром
Физико-химические явления на межфазной границе
57
Основные поверхностные явления
Следствие хемосорбции кислорода на металле
Частица железа с окисной пленкой
Физико-химические явления на межфазной границе
58
Основные поверхностные явления
Адсорбция полимеров
Пример современных
применений явления:
«Нанотехнология позволит быстро
и качественно получить даже
нечеткие отпечатки пальцев»
(Chem. Comm.)
Полимерные слои,
стабилизирующие частицы металла
Физико-химические явления на межфазной границе
59
3.2. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ
ЯВЛЕНИЯ
60
Электрокинетические явления
Образование двойного электрического слоя
Na+
Na+
Уравнение Липпмана:
Na+
Na+
Cl
Na+
Cl
Cl
dσ
  qs .
s
d
Cl
Na+
Cl
Cl
Na+
Au

Cl
Na+
Cl
Cl
Na+
Cl
Cl
Cl
Na+
Cl
Na+
Na+
Na+
Строение ДЭС на частицах золота
в растворе хлорида натрия
Физико-химические явления на межфазной границе
61
Электрокинетические явления
Электрофорез
Na+
Na+
Cl
Na+
Cl
Na+
Cl
Cl
Na+
+
Na+
Cl
Na+
Cl
Au
Cl
Na+
Na+
Na+
Cl
Cl
Na+
Cl
Cl
Cl
Cl
Na+
Na+
Перемещение частиц золота к аноду
в электрическом поле
Физико-химические явления на межфазной границе

Пример современных
применений явления:
NanoChromics Display
(конференция
«DEMO»)
62
Электрокинетические явления
Модифицирование поверхности частиц
 z , мВ
z, мВ
38
40
30
20
36
10
0
34
2
4
6
8
pH
2
4
6
8 pH
Изменение знака заряда частиц наноалмаза
в результате модифицирования поверхности
Модифицирование поверхности с помощью СТМ
Физико-химические явления на межфазной границе
63
Электрокинетические явления
Применение модифицированных наночастиц титаната
бария в полимерных матрицах
(© Advanced Materials) (Новые нанокомпозиты для
конденсаторов с увеличенной емкостью)
Физико-химические явления на межфазной границе
64
Электрокинетические явления
Зависимость ширины запрещенной зоны
для исходных и модифицированных
нанотрубок от параметра их диаметра n
Физико-химические явления на межфазной границе
65
Электрокинетические явления
Модифицирование поверхности частиц серебра
в условиях получения
Способ получения
Компоненты
№ водной
среды
1
Химическое
восстановление
Электроконденсационный
2
3
Состав
частицы
с поверхностным слоем
z-потенциал,
мВ
Борогидрид
натрия
[Agm]BH4 Na
– 65
Борогидрид
натрия +
ПАВ
[Agm] ПАВ
0
[Agm]Ag OH
+ 60
O2
Физико-химические явления на межфазной границе
66
4. КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
4.1. МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
68
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
Молекулярно-кинетические
свойства дисперсных систем
Броуновское движение –
RT τ
 
.
3πηrN A
Диффузия –
RT
D
.
6 πηrN A
Осмотическое давление –
 RT .
П   ν

N
A

Седиментационно-диффузионное
равновесие –
2 g ρ  ρ 0 r 2
uсед. 
.
9η
Кинетические свойства дисперсных систем
2
69
4.2. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ
РЕАКЦИЙ С УЧАСТИЕМ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
70
Кинетика химических реакций с участием
ультрадисперсных материалов
Кинетика гетерогенных реакций
2
dn

 k ( а  n) 3 .
dt
Уравнение «сжимающейся сферы»:
m/m, %
lg[1 (m/m0)1/3]
100
-3
80
-4
60
40
-5
20
-6
0
0
20
40
, мин
60
Кинетические свойства дисперсных систем
1,1
1,2
1,3
3
10 /T, K
1,4
1,5
-1
71
Кинетика химических реакций с участием
ультрадисперсных материалов
Зависимость степени окисления  алмазных
порошков на воздухе
от времени  (m0 = 50 мг; Т = 770 К)
, %
, мин.
AB 7/5
ACM 3/2
УДА кислотной
очистки
10
1,8
0,8
9,5
15
1,8
1,2
18,1
30
4,0
1,8
86,9
60
6,4
3,4
98,5
Кинетические свойства дисперсных систем
72
Кинетика химических реакций с участием
ультрадисперсных материалов
Горение углеродных
нанотрубок
на воздухе, инициируемое
«фотовспышкой»
Кинетические свойства дисперсных систем
0
5
10
15
20
N
Скорость взаимодействия
с H2 кластеров железа,
содержащих
от 5 до 25 атомов
73
4.3. АГРЕГАЦИОННЫЕ
ПРОЦЕССЫ В ДИСПЕРСНЫХ
СИСТЕМАХ
74
Агрегационные процессы в дисперсных системах
Теория устойчивости и коагуляции
дисперсных систем
Дерягина  Ландау  Фервея  Овербека
U, kT
2
3
h, нм
1
Потенциальная кривая
парного взаимодействия
частиц
Кинетические свойства дисперсных систем
Стабилизация крупных
частиц мелкими
75
Агрегационные процессы в дисперсных системах
Структурообразование в дисперсных системах
h, 10-3 Па с
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2 , %
Золь-гель переход
Кинетические свойства дисперсных систем
Тиксотропные свойства
коагуляционных структур
76
Агрегационные процессы в дисперсных системах
Образование фрактальных агрегатов
Агрегация наночастиц серебра в золях
Кинетические свойства дисперсных систем
77
Агрегационные процессы в дисперсных системах
ln N
8
6
4
2
2
Фрактальный кластер, возникающий
в результате двумерной ограниченной
диффузией агрегации
Кинетические свойства дисперсных систем
3
4
5 ln L
Определение фрактальной
размерности агрегата
по данным электронной
микроскопии
78
5. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Применение ультрадисперсных материалов
Возможные области применения УДА
для нужд авиастроительной промышленности
№
1
Наименование
технологии
использования
Какие проблемы решает
Электрохимическое
и химическое
осаждение
металлов и их
сплавов с УДА:
• анодное
оксидирование
алюминия с УДА
(фюзеляж, крылья);
• хромирование
и никелирование
с УДА (пары трения
в узлах,
механизмах)
Увеличивает износостойкость,
микротвердость, коррозионную стойкость,
антифрикционность.
Повышение износостойкости в 10–13 раз,
микротвердости – до 540 кг/мм2,
повышение антикоррозионной стойкости
в 4–9 раз, повышение
электроизоляционной способности.
При хромировании – износостойкость
возрастает в 2–12 раз, микротвердость –
до 1400 кг/мм2;
при никелировании – износостойкость
возрастает в 5–8 раз, микротвердость –
до 680 кг/мм2
Эффект от
применения
технологии
Увеличение
ресурса в 2–3
раза
%
удорожания
продукции
10–20 %
Увеличение
ресурса в 2–10
2–5 %
раз
Основные области применения ультрадисперсных материалов
80
Применение ультрадисперсных материалов
Возможные области применения УДА
для нужд авиастроительной промышленности
(продолжение таблицы)
№
2
Наименование
технологии
использования УДА
Нанесение
полимералмазных
пленочных покрытий
(с УДА):
– силоксановые
покрытия (крылья,
фюзеляж);
– фторэластомерные
покрытия (пары
трения, трубки
топливопроводов)
Какие проблемы
решает
Сильные
антиобледенительные
свойства; улучшение
упругопрочностных
характеристик;
увеличение прочности
на разрыв и раздир.
Снижение проницаемости
по углеводородам
и полярным растворителям
(в 50 раз), высокая
стойкость к агрессивным
средам; повышение
упругопрочностных
параметров, адгезии;
стойкость к тепловому
старению и абразивному
износу
Эффект от
применения
технологии
Увеличение
ресурса в 1,5 –
2 раза
Увеличение
ресурса в 1,5 –
3 раза
Основные области применения ультрадисперсных материалов
% удорожания
продукции
0,1–2,0 %
0,5–3,0 %
81
Применение ультрадисперсных материалов
Возможные области применения УДА
для нужд авиастроительной промышленности
(продолжение таблицы)
№
Наименование
технологии
использования УДА
3
Радиационно стойкие
и озоностойкие
резины с УДА –
сополимеры этилена
и пропилена
(прокладки,
уплотнения, втулки)
Эффект от
применения
технологии
Какие проблемы решает
Увеличение долговечности
резинотехнических изделий
Увеличение
ресурса в 2–4
раза
Основные области применения ультрадисперсных материалов
%
удорожания
продукции
, 5–3,0 %
82
Применение ультрадисперсных материалов
Возможные области применения УДА
для нужд авиастроительной промышленности
(продолжение таблицы)
№
Наименование
технологии
использования УДА
Какие проблемы решает
4
Резины различного
назначения с УДА:
полиуретаны
(прокладки,
теплоизоляторы)
бутадиен-нитрильный
каучук (уплотнения
для низких
и сверхнизких
температур)
полиизопреновые
каучуки (резинотехнические изделия)
бутадиен-стирольные
каучуки
Увеличение долговечности изделий.
Увеличение по всему комплексу
эксплуатационных параметров.
Увеличение морозо-, агрессивои износостойкости, повышение
эластичности и снижение коэффициента
трения.
Увеличение степени вулканизации
(выше условное напряжение и ниже
степень набухания в агрессивных
жидкостях); высокие прочностные
показатели и большая усталостная
выносливость.
Увеличение в 1,5–2 раза когезионной
прочности; большая степень
вулканизации; увеличение в 2 раза
сопротивления раздиру
Основные области применения ультрадисперсных материалов
Эффект от
применения
технологии
%
удорожания
продукции
Увеличение
ресурса в 1,6
– 3,5 раза.
Увеличение
ресурса в 1,5
–2,5 раза.
Увеличение
ресурса в 1,5
–2,0 раза.
0,1–1,5 %
Увеличение
ресурса в 2–3
раза
1–3 %
0,2–0,5 %
1–3 %
83
Применение ультрадисперсных материалов
Возможные области применения УДА
для нужд авиастроительной промышленности
(продолжение таблицы)
№
5
Наименование
технологии
использования УДА
Масляные композиции
с УДА (узлы трения,
системы подачи
охлаждающей
жидкости)
Какие проблемы
решает
Снижение момента
трения на 20–40 %,
уменьшение
износа трущихся
поверхностей на 30 –
40 %;
быстрая приработка
пар трения
Эффект от
применения
технологии
Увеличение ресурса
узлов в 1,4–2 раза
Основные области применения ультрадисперсных материалов
%
удорожания
продукции
0,5–3 %
84
Применение ультрадисперсных материалов
Возможные области применения УДА
для нужд авиастроительной промышленности
(продолжение таблицы)
№
6
Наименование
технологии
использования УДА
Интерметаллиды с УДА
(смесь порошков Cu, Zn, Sn
и УДА, метод порошковой
металлургии):
хонинговальные бруски,
изготовление подшипников
(опор) скольжения,
внесение в смазку 1% масс.
порошка интерметаллидов
с УДА
Какие проблемы
решает
Уменьшение трения
и износа пар трения
Эффект от
применения
технологии
Исключены прижоги,
Схватывания
и задиры. Быстрая
приработка пар
трения, увеличение
ресурса в 1,5–2 раза.
Увеличение ресурса
подшипника в 1,6–1,8
раза.
Увеличение ресурса
пары трения более
чем в 2 раза
Основные области применения ультрадисперсных материалов
%
удорожания
продукции
15–20 %
85
Применение ультрадисперсных материалов
Процессы золь-гель в технологиях
получения керамических материалов
Основные области применения ультрадисперсных материалов
86
Применение ультрадисперсных материалов
Применение материала
из углеродных нанотрубок
Наращивание углеродных
нанотрубок перпендикулярно
подложке
Схема дисплея, в котором
используется
автоэлектронная эмиссия
из нанотрубок
Основные области применения ультрадисперсных материалов
87
Применение ультрадисперсных материалов
Применение отдельных углеродных нанотрубок
Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке:
а) нанотрубка на непроводящей (кварцевой) подложке;
б) зависимость проводимости в цепи от потенциала
затвора.
Основные области применения ультрадисперсных материалов
88
Применение ультрадисперсных материалов
Примеры применения ультрадисперсных
материалов
Прототип плоскопанельного
дисплея
от Samsung, в котором
использовались
одностеночные углеродные
нанотрубки
Мотоциклетный шлемхамелеон
с нанослоем оксида
металла между слоями
гибкого полимера
от шведской компании
Chromogenics
Основные области применения ультрадисперсных материалов
89
Применение ультрадисперсных материалов
Примеры применения ультрадисперсных
материалов
Воск для лыж
германской
компании Nanogate
Ракетки для
тенниса,
армированные
нанотрубками
Quick Response
Liquid Powder (дисплей)
Основные области применения ультрадисперсных материалов
90