ФХОЭТ_Сидорова_М1-Л2 (1076344)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Московский государственный технический университет им.Н.Э.БауманаФакультет: Машиностроительные технологии (МТ)Кафедра: Электронные технологии вмашиностроении (МТ11)Физико-химические основыэлектронныхтехнологийСидороваСветланаВладимировна,асс.каф.МТ11МГТУим.Н.Э. БауманаE-mail:sidorova_bmstu@mail.ru2016Модуль1«Общиеположения,понятияиопределения»Лекция22Жизнь– этоособаяколлоиднаясистема...В.И.ВернадскийДисперсноесостояниевеществаa) пленочно-дисперсныеб)волокнисто-дисперсныев)корпускулярно-дисперсныеДисперсный– отлат.dispersus - рассеянный,рассыпанный.3ДисперсныесистемыДисперснаясистема(ДС)– этообразованияиздвухилибольшегочислафаз(тел),которыепрактическинесмешиваютсяинереагируютдругсдругомхимически.Первоеизвеществ(дисперснаяфаза)мелкораспределенововтором(дисперснаясреда).Дисперснаяфаза- совокупностьмелкиходнородныхтвёрдыхчастиц,капелекжидкостиилипузырьковгаза,равномернораспределённыхвокружающей(дисперсионной)среде.Дисперсионнаясреда- непрерывнаяфаза(тело),вобъёмекоторойраспределенадругая(дисперсная)фазаввидемелкихтвёрдыхчастиц,капелекжидкостиилипузырьковгаза.а-б)монодисперсныесистемыв)полидисперсныесистемыа-в)связнодисперсныесистемыг-д)капилярнодисперсные системы4ДисперсныесистемыОбщиепараметрыДСДисперсность - физическаявеличина,характеризующаяразмервзвешенныхчастицвДС;величина,показывающаякакоечислочастицможно«уложить»вплотнуюводномметре(чемменьшеразмерчастиц,тембольшедисперсность).Удельнаяповерхность- усредненнаяхарактеристикаразмероввнутреннихполостей(каналов,пор)пористоготелаиличастицраздробленнойфазыДС.В.А.ЯргаеваЛ.В.Сеничева«Дисперсныесистемы»Межфазноенатяжениеповерхностноенатяжениенаграницедвухжидкихфаз.Свободнаяповерхностнаяэнергия избытоксвободнойэнергии,содержащейсявповерхностномслоенаграницеразделадвухсоприкасающихсяфаз(Ж-Г,Ж-Ж,Ж-Т)посравнениюсэнергиейобъемнойчастиэтихфаз.5КлассификациядисперсныхсистемПоразмеручастицдисперснойфазы.Грубодисперсные системы(взвеси)сразмеромчастицболее500нм.Тонкодисперсные (коллоидныерастворыиликоллоиды)сразмерамичастицот1до500нм.Постепенивзаимодействиямеждудисперсионнойсредойидисперснойфазой.Еслитакоевзаимодействиевыраженооченьслабо,системуназываютлиофобной (вслучаеводыгидрофобной).Еслижедисперснаяфазаидисперсионнаясреда«тяготеют»другкдругу(например,образуютводородныесвязи),образуетсялиофильная (гидрофильная)дисперсионнаясистема.6КлассификациядисперсныхсистемПоагрегатномусостояниюфаз(ак.П.А.Ребиндер).Свободнодисперсныесистемы - дисперснаяфазанеобразуетсплошныхжесткихструктур(сеток,каркасов).Такиесистемыназываютзолями.Сплошные(связнодисперсные)системы- частицыдисперснойфазыобразуютжесткиепространственныеструктуры(сетки,каркасы).Такиесистемыназываютгелями.7КлассификациядисперсныхсистемСвободнодисперсныесистемы8КлассификациядисперсныхсистемСвязнодисперсныесистемы9ОсновныехарактеристикиДС1.Среднийминимальныйимаксимальныйразмер дисперсныхчастиц.2.Концентрация частиц– отношениечисладисперсныхчастицкединицедисперсионнойсреды.3.Удельнаяповерхностьдисперснойфазы– отношениесуммарнойплощадиповерхностивсехдисперсныхчастицкихсуммарноймассе.4.Дисперсность– отношениесуммарнойплощадиповерхностидисперсныхчастицксуммарномуобъёмудисперснойфазы.5.Поверхностноенатяжениенаграницедисперсныхчастицсдисперсионнойсредой– основнойтермодинамическийпараметр,характеризующийсвойстваповерхностиразделафаз.6.Времяжизнидисперснойсистемы– количественнаяхарактеристикаважнейшегообщегосвойствадисперсныхсистем– ихтермодинамическойнеустойчивости.(Термодинамическая(агрегативная)неустойчивостьпроявляетсявпостепенномувеличенииразмеровилиобразованииагрегатовизслипшихсядисперсныхчастиц).10ОсновныехарактеристикиДССредний(ā)минимальный(āmin)имаксимальный(āmax)размердисперсныхчастиц.Концентрация частиц(ν,м-3),равнаячислудисперсныхчастиц(nd)вединицеобъемадисперсионнойсреды(V):ν=nd/V.Трехмерная(а),двухмерная(б)иодномерная(в)дисперсныефазы11ОсновныехарактеристикиДСДисперсность (степень раздробленности) определяется размером и геометриейчастиц.

Дисперсная фаза может иметь малые размеры во всех трех измерениях(частицы), в двух измерениях (волокна, нити, капилляры), в одном измерении(пленки, пены, мембраны, адсорбционные слои).Степень раздробленности (дисперсности) оценивают:D =1/a (м-1),где a – поперечный размер частицы. В случае сферических частиц a=d – диаметр.Дисперсность сферических или кубических частиц одинакового размера (d)равна D = 6 / d.12ОсновныехарактеристикиДСУдельнаяповерхностьдисперснойфазы- этосуммарнаяповерхностьвсехчастицS,отнесеннаякихсуммарномуобъемуV:Sуд =(S/V)(м-1)иликсуммарноймассеm:Σ=(S/m)(м2/кгилим2/г).Длясферическойчастицысрадиусомr:Длякубическойчастицысребромкубаd:S1,2=6d2,V =d3Вобщемслучаегдеβ– коэффициентформычастиц(длясферическихикубическихчастицβ=6).13ОсновныехарактеристикиДСЗависимостьудельнойповерхностидисперснойсистемыотразмерачастиц14ОсновныехарактеристикиДСПоверхностноенатяжение (σ,Дж/м2)награницедисперсныхчастицсдисперсионнойсредой– основнойтермодинамическийпараметр,характеризующийсвойстваповерхностиразделафаз.Дляжидкостейповерхностноенатяжениечисленноравноудельнойсвободнойповерхностнойэнергии(котораяравнаработе,необходимойдлясозданияоднойединицыповерхности.Всемолекулывзаимодействуютдругсдругом.):σ=(dG/ds)P,T,где dG – изменениесвободнойэнергииГиббса,Дж;ds – изменениеплощадиповерхностичастицы,м2;P,T– соответственнодавлениеитемпература.ВремяжизниДС- количественнаяхарактеристикатермодинамическойнеустойчивостидисперсныхсистем.Термодинамическая(агрегативная)неустойчивостьпроявляетсявпостепенномувеличенииразмеровилиобразованииагрегатовизслипшихсядисперсныхчастиц.Длякапливэмульсиях,тонкойжидкойпленкивпенахигазовогопузырькавгазовыхэмульсияхвремяжизни(τ)однойдисперснойчастицы.Длясистемствердойдисперснойфазой(коллоидныхрастворов)иэмульсийпериодполураспада(τ1/2)– время,закотороеначальнаяконцентрация(νо)частиц15уменьшитсяв2раза.Примеррешениязадачи–надоске16РазмерныйэффектЧеловек долженверить, чтонепонятное можнопонять; иначеоннестал быразмышлять онем.В.ГетеРазмерныйэффект– зависимостьудельнойхарактеристикивеществаотразмераегочастиц.Вкачестветакойхарактеристикимогутбыть:• термодинамическиесвойства;• параметрыкристаллическойрешетки;• прочность,пластичность;• транспортныесвойства(диффузия,электроннаяиионнаяпроводимость);• оптическиеимагнитныесвойства;• реакционнаяспособность(скоростьимеханизмхимическихреакций).Размер частицы произвольной формы (А.И.Русанов):L≈6V/S,где V– объем частицы;S– ее поверхность.Кубик– размер ребра.Сфера– диаметр.Нить(тонкаятрубка)– ~3/2диаметра.В случае тонкой пластины – ~3d(V≈d·S/2),гдехарактерныйразмерd–толщинапластины.17РазмерныйэффектУильямТомсон(лордКельвин)1824– 1907ДжозефДжонТомсон1856– 1940Британскийфизикимеханик.Известенсвоимиработамивобластитермодинамики,механики,электродинамики.Английскийфизик,лауреатНобелевскойпремиипофизике1906 годасформулировкой«заисследованияпрохожденияэлектричествачерезгазы».18РазмерныйэффектВысокиезначенияэлектросопротивления тонкихпленокпревышаютэлектросопротивлениекрупнокристаллическихметаллическихобразцов.ФормулаД.Томсонагдеρ0 - удельноеэлектросопротивлениекомпактногокрупнокристаллическогоматериала;ρ - удельноеэлектросопротивлениеизучаемогообразца(пленки);k =δ/l (k<1);l длинасвободногопробегаэлектронов;δ - толщинапленки.ЗаметноеизменениеэлектросопротивленияобычноначинаетсяприL <100нм.Оценкипоказывают,чтоудельноеэлектросопротивлениенамежзереннойграницесоставляетρr ≈3·10−12Oм ·смиявляетсяпрактическиодинаковымдлянано- икрупнокристаллическихматериалов.Общееэлектросопротивлениенаноматериала можнорассчитатьпоформулегдеρ0 - электросопротивлениемонокристаллическогоматериаласзаданнымсодержаниемпримесейидефектов;ρr – удельноеэлектросопротивлениенамежзереннойгранице;S– площадьмежзеренных границ;V - объем.19РазмерныйэффектЭлектросопротивлениеДляоценкипроводящихсвойствтонкихпленокпользуютсяпараметромудельногоповерхностногосопротивления илисопротивленияквадратаR□,Ом:гдеρδ - удельноесопротивлениепленкитолщинойδ.Сопротивлениеквадратачастоиспользуютдляопределениясопротивлениятонкопленочногорезистора:гдеl - длинарезисторавнаправлениипрохождениятока;d - ширинапленки.Зависимостиρ иαρ оттолщинытонкойметаллическойпленки20РазмерныйэффектПлотность электронныхсостоянийN(E)Зависимостьплотностиэлектронныхсостоянийотэнергиидлятрехмерных(1),двумерных(2),одномерных(3)инульмерных (4)структурПереходотнепрерывногоизмененияN(E)додискретногоизменения,характерногодлясовокупностиизолированныхатомов,включаяпромежуточныеситуации.Втомчислеэлектроныиквазичастицы(квантовыеямы,квантовыепроволоки,квантовыеточки).21РазмерныйэффектСпектры плотности состояний носителей зарядадлясистем сразличной размерностью22РазмерныйэффектОптическиесвойстваОкрашивание жидкости, содержащей полупроводниковые наночастицы CdSe размеромот3до6нм(слева направо)придневномсвете ивУФ-лучахРазличияспектровпоглощениянаночастиц имассивныхметалловобусловленыразличиемихдиэлектрическойпроницаемостиε =ε1 +iε2.Длянаночастиц сдискретнымэнергетическимспектромдиэлектрическаяпроницаемостьзависиткакотихразмера,такиотчастотыизлучения:ε2(ω)=ε∞2(ω)+А(ω)/r,гдеε∞2(ω)– мнимаячастьдиэлектрическойпроницаемостимакроскопическогокристалла,23А(ω)– функциячастоты,r– размерчастицы.РазмерныйэффектЭффектТиндаля,рассеяниеТиндаля - оптическийэффект,рассеиваниесветаприпрохождениисветовогопучкачерезоптическинеоднороднуюсреду.24РазмерныйэффектРезонансныйпикПрипоглощениисветаэффективновремярелаксацииτef можнопредставитьввиде:гдеτ =l∞/νF - времярелаксациивмассивномметалле;νF - ско- рость электронанауровнеФерми.Впренебрежениимежзоннымипереходамииприучетедвижениятолькосвободныхэлектронов:Здесьωp =4πNe2/m∗- плазменнаячастота;N,e,m∗- концентрация,зарядиэффективнаямассаэлектронов.Втеориимаксимумпоглощениясветадостигаетсяприусловииεm =−ε1(ω1);сучетомэтогодляоченьмалыхчастицсτ−1∼νF/r извышеприведеннойформулыследуетвыражениедлярезонанснойчастоты:25РазмерныйэффектОсновнойпричинойизменениятермодинамическиххарактеристик(теплоемкость,тепловоерасширение,температураплавления,вкладвтеплопроводностьидр.)нанокристаллов всравнениисмассивнымвеществомявляютсяизменениявидаиграницфононногоспектра.Состоронынизкочастотныхколебанийфононныйспектрограниченнекоторойминимальнойчастотойwmin ~c/2D,гдес– скоростьзвука;D – наибольшийразмерчастицы..Фононная плотность состояний нанокристаллического никеля вкомпактированном (а), 26порошкообразном виде (б)иввидекрупнозернистого поликристаллического никеля (в)РазмерныйэффектЗначениятеплоемкости дляматериаловвразличныхсостояниях27РазмерныйэффектЗаметноепонижениетемпературыплавления наблюдается,когдаразмерчастицстановитсяменьше10нм.Влияниерадиусачастицсвинца,олова,золотанаотношениеихтемпературыплавленияктемпературеплавлениямассивногообразцаметаллаВлияниетемпературынатеплоемкостьнаночастиц палладия3нм (1)и6,6нм (2),атакжемассивногообразца(3)С.В.Матренин, Б.Б.Овечкин 28«Наноструктруные материалывмашиностроении»РазмерныйэффектСкоростьдеформации придиффузионномскольжении,гдеB - коэффициентпропорциональности;σ - приложенноенапряжение;Ω - атомныйобъем;δ толщинаграницызерна;D - коэффициентзернограничнойдиффузии;d– размерзерна;T – температура;kB – постояннаяБольцмана.Г.А.Малыгин«Размерныеэффектыприпластической деформациимикро- инанокристаллов»Приуменьшенииразмеразернапроисходитупрочнение!!!Принанометровомразмерезерендиффузионноескольжениеприобретаетважнуюрольдажеприкомнатной̆температуре,заметноувеличиваяскоростьдеформации.Виддиаграммнапряжение–деформациямакро- (1),микро- (2)инанокристаллов (3).29РазмерныйэффектСуменьшениемразмерананочастицы вовсё большейчастиеё объёмапроисходитудалениедислокацийизобъёма частицы:Расчетныеразмерыбездефектныхчастицизерен30РазмерныйэффектИнтересноесвойствонаночастиц – наличиеполногомагнитногомоментаукластера,состоящегоизнемагнитныхатомов.Напримерекластероврения– магнитныймоментрезкоувеличиваетсяприуменьшенииатомоввкластеременее20.Всвязистемчтомагнитныесвойстватвердыхтелсущественнозависятотрасстояниямеждуатомами,намагниченностьнасыщенияIS,температураКюриTC идругиепараметрыферромагнитного состояниянаноматериалов будутменятьсяпосравнениюсобычнымикрупнокристаллическимиобъектами.Зависимость магнитного моментаатомоввнаночастицах ренияотчисла атомоввкластереIS (Fe (L=6нм)на40%ниже,IS (Fe).IS (наноNi)- 5%приуменьшенииразмеразернаот1000до10нм.TC (наноNi)- уменьшениена10-30Ксуменьшениемразмеракристаллитов.31Размерныйэффект–этокомплексявлений,связанныхссущественнымизменениемфизико-химическихсвойстввеществавследствие:1) непосредственногоуменьшенияразмерачастиц(зерен,кристаллитов);2) вкладаграницразделавсвойствасистемы;3) соизмеримостиразмерачастицсфизическимипараметрами,имеющимиразмерностьдлиныиопределяющимисвойствасистемы(размермагнитныхдоменов,длинасвободногопробегаэлектрона,дебройлевскаядлинаволны,размерэкситонавполупроводникахит.д.).32Контрольныевопросы1.

Дисперснаясистема:определениеиклассификация.2. Основныехарактеристикидисперсныхсистем.3. Размерныйэффект:определения,особенностипроявления,примеры.4. Особенностиразмерногоэффектавнаночастицах инаносистемах.5. ЭффектТиндаля:смысл,применение.33.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций