Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции,

ордена Трудового Красного Знамени

Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»

НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ

МАШИНОСТРОЕНИЯ

Выполнил:	Рубцов М.А. Группа: МТ11-71	______________
Руководитель:	Беликов А. И.	______________

Москва

2014

Оглавление

Оглавление……………………………………………………………………………….2

Вступление………………………………………………………………………………3

1. Применение наноматериалов…………………………………………………….….6

1.1. Применение графена…………………………………………………….….6

1.2. Применение углеродных нанотрубок……………………….…………..…7

1.3. Применение фуллеренов………………………………………………..…..8

1.4. Композитные наноматериалы……………………………………………...8

1.5. Другие материалы………………………………………………………..….9

Заключение……………………………………………………………………………...10

Список источников информации……………………………………………………...11

Вступление

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм. Наноматериалы – не один «универсальный» материал, а обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами. Заблуждением является и то, что наноматериалы – это просто очень мелкие, «нано»-частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноматериалы мож-но рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам объемного вещества. Способы получения наноматериалов можно разделить на две группы:

• «сборка из атомов»

• «диспергирование макроскопических материалов».

В 2004-м году выделили следующие типы наноматериалов:

• нанотрубки и нановолокна

• нанопористые структуры

• наночастицы

• нанокристаллы и нанокластеры

• нанодисперсии (коллоиды)

• наноструктурированные поверхности и тонкие пленки.

Сами наноматериалы делят по назначению на:

• Функциональные

• Композиционные

• Конструкционные.

По количеству измерений:

• нульмерные/ квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы);

• одномерные/ квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки);

• двумерные/квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов);

• трехмерные/квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Например, у наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных, тепло- и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону её уменьшения.

Для наноматериалов актуальна проблема их хранения и транспортировки. Обладая развитой поверхностью, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой, прежде всего это касается металлических наноматериалов. Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. В генной инженерии векторы на основе наноматериалов используются для доставки биологически активных веществ в клетки.

Консолидированные материалы – компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.

Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть в изолированном и частично в смешанном (консолидированном) со-стоянии.

Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с момента открытия (Н. Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропной формы углерода – кластеров С₆₀ и С₇₀, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С. Ишима, 1991).

Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмер-ные структуры различного состава, размеры которых не превышают, в общем случае, нанотехнологической границы. Различие состоит в том, что наночастицы имеют возможный изолированный характер, тогда как нанопорошки – обязательно совокупный. Похожим образом нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм.

Супрамолекулярные структуры – это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.

В современном авиастроении и ракетостроении так же применяется лазерная модификация поверхности, что приводит к упрочнению материала в разы, однако это дорогая и сложная процедура, но в области, где каждый килограмм над землёй стоит больших денег – это необходимая мера.

1. Применение наноматериалов

1.1. Применение графена

• А ккумуляторы для автомобилей на водородном топливе. С помощью графеновых пленок можно увеличить энергию связи атомов углерода. Это позволит увеличить емкость, либо уменьшить вес аккумуляторов.

• Датчики для диагностики заболеваний. В основе работы этих датчиков лежит тот факт, что молекулы, чувствительные к некоторым болезням, присоединяются к атомам углерода в графеновом слое. В датчике используется графен, молекулы ДНК и флуоресцентные молекулы. Флуоресцентные молекулы соединяются с одиночной ДНК, которая в свою очередь связывается с графеном. Когда другая одиночная молекула ДНК связывается с ДНК, присоединенной к слою графена, и формируется двойная ДНК, которая свободно передвигается по графену, увеличивая уровень излучения.

• Охлаждение электронных схем. Недавно созданный композитный материал на основе графена и меди нашел применение в качестве наиболее эффективного и недорогостоящего средства охлаждения электронных устройств. Теплопроводность композита составляет 460 Вт/(м·K), тогда как у меди она равна 380 Вт/(м·K). Композит осаждается на охлаждаемую поверхность электрохимическим способом в виде пленки толщиной 200 мкм. Уже разработана схема переоснащения оборудования для изготовления медно-графенового теплоотвода.

• Элементы с малым удельным весом и высокой прочностью. Добавление в эпоксидный композит графена обеспечивает более высокую удельную прочность элементов, поскольку графен прочно связывается с молекулами полимеров.

1.2. Применение углеродных нанотрубок

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

• Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор, из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.

• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.

• Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой.

• Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа. Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.

1.3. Применение фуллеренов:

• Создание новых конструкционных материалов с уникальными свойствами для использования в строительстве инженерно-технических сооружений и в изготовлении средств индивидуальной защиты.

• Улучшение эксплуатационных характеристик транспортных средств и других специальных механизмов.

• Получение новых композиционных материалов электротехнического назначения.

• Получение новых композиционных материалов для оптического и радиоэлектронного противодействия.

• Создание материалов и микроэлектронных изделий специального назначения.

• Разработка новых технологий в медицине.

1.4. Композитные наноматериалы:

• Современные алмазоподобные покрытия используются дли инструментов, которые легко восстанавливаются с помощью повторного нанесения (чаще всего напыления). Например, Ti-Si-N.

• Композиционные смеси гранулированных наночастиц, которые производят постоянный поток серебряных ионов, разрушающих микробы, используют для фильтрации воды.

• Некоторые структуры используют для защиты от окисления, так как они не окисляются даже при очень высоких температурах, например, в реактивных или турбовентиляторных двигателях.

• Развитиая поверхность композиционных наноматериалов обуславливает их широкое применение в качестве адсорбентов и катализаторов. В частности, был разработан новый класс нанокомпозитных сорбентов категории «соль в пористой матрице». Эти сорбенты являются двухкомпонентными системами и состоят из гигроскопичных неорганических солей (галогениды, сульфаты, нитраты щелочных и щелочно-земельных металлов), диспергированных до наноразмеров путем помещения в мезопоры матрицы (силикагели, оксиды алюминия, пористые угли, природные глины и т.п.).

• Углеродный нанокомпозит при нормальных условиях инертен практически ко всем химически активным средам. Следствием его химической инертности является биологическая инертность и тромборезистентность в среде нативной крови. По уровню тромборезистентности углеродный нанокомпозит превосходит все известные материалы.

1.5. Другие материалы:

• Нанослои золота можно использовать как изолятор.

• Наноструктурированную платину используют для хранения жидкого водорода.

Нанослои любых других материалов ведут себя иначе по сравнению, например со слоями тех же материалов микрометровых толщин.

Заключение

На сегодняшний день наноматериалы очень дороги как в изготовлении, так и в эксплуатации, однако их использование позволит уменьшить вес конструкций при тех свойствах (прочность, эластичность и т.п.), а так же появится возможность создавать новые конструкции другого типа. По моему мнению, наноматериалы необходимы сейчас в освоении космоса, ведь доставить один килограмм на низкую околоземную орбиту при нынешних технологиях стоит 10000 долларов, сокращение веса аппаратов позволит уменьшить стоимость космических полётов.

Список источников информации

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CD%E0%ED%EE%EC%E0%F2%E5%F0%E8%E0%EB

2. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/59336/

3. http://globalscience.ru/article/read/18798/

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D3%E3%EB%E5%F0%EE%E4%ED%FB%E5_%ED%E0%ED%EE%F2%F0%F3%E1%EA%E8

5. http://www.cleandex.ru/articles/2007/12/10/nanotubes-carbon

6. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.:Химия. 2000.- 672 с.

7. Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.:Ком Книга. 2006.

8. Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Высокодисперсное ориентированное состояние полимеров. Москва:Химия, 1985.