Особенности свойств наноматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Т. Ф. ГОРБАЧЕВА»

Кафедра технологии машиностроения

Учебная дисциплина «Нанотехнологии в сварке»

РЕФЕРАТ

На тему: «Особенности свойств наноматериалов»

Выполнил:

магистрант

гр. ТСм-171

А. Г. Гуро

Проверил:

Старший преподаватель

М.В.Пимонов

Кемерово-2018

Содержание

Введение

1. Понятие наноматериалов

2. Особенности свойств наноматериалов

Заключение

Используемые источники

Введение

В последние годы в России исследование субмикронных и наноматериалов получило интенсивное развитие благодаря существующим и потенциальным применениям во многих областях промышленности, в том числе в металлообработке, электронике, электротехнике и т.д. Для удовлетворения технических и технологических требований в указанных областях, размер структурных элементов необходимо уменьшить до субмикронного или нанометрового масштаба. При уменьшении размера структурного элемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют, отличные от массивного, новые физико-механические свойства. Изучение наноразмерных структур (наноструктур) относится к направлению нанотехнологии. Важными составляющими этого научно-технического направления являются разработка и изучение наноструктурных материалов, исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях.

Наноматериалы - не один «универсальный» материал, а обширный класс множества разных материалов, объединяющий их различные семейства с практически уникальными свойствами. Заблуждением является и то, что наноматериалы - это просто очень мелкие наночастицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельным частицами, они могут представлять собой сложные микрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме материала. Такие наноматериалы можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам объемного вещества.

1. Понятие наноматериалов

Современные наноматериалы представлены как наночастицами (нульмерные, одномерные, двумерные и трёхмерные структуры), так и наноструктурированными объектами, которые представляют собой объёмный макрообъект собранный из наночастиц либо с внедрёнными и/или сформированными внутри него. Подобные наноматериалы получают различными методами нанотехнологий, которые позволяют манипулировать веществом на ноноуровне, что даёт возможность управлять процессами в молекулярном и атомарном масштабе.

Отличие свойств малых дисперсных частиц от свойств массивного материала давно известно и используется в различных областях техники, это применение аэрозолей, красящих пигментов, получение цветных стёкол благодаря их окрашиванию коллоидными частицами металлов. Особый интерес вызывают наноструктурированные материалы, поскольку обнаружилось, в частности у металлов, что уменьшение размера структурных элементов (частиц, кристаллов, зёрен) ниже некоторой предельной величины может приводить к существенному изменению их свойств. Такие эффекты отчетливо проявляются при размере зерна менее 100 нм. Свойства изолированных наночастиц в дисперсном или компактированном виде обусловлены тем, что их размеры соизмеримы с характерным масштабом того или иного физического явления (длины свободного пробега электронов, длины волны упругих колебаний, размер магнитного домена, диаметром петли Франка-Рида для скольжения дислокаций и др.). [ 2 ]

Область наноразмерного масштаба с размерами частиц от 1 до 100 атомных диаметров, которые и определяют свойства материала, является предметом научного исследования, в одну из задач которого входит установление связей между свойствами и структурой материала.

Общепринятым определением нанообъектов является положение о том, что к ним относятся такие объекты, размеры которых хотя бы в одном из пространственных направлений составляют примерно 0,1 - 100 нм, (малоразмерные объекты). Объекты, имеющие размеры менее 100 нм могут быть разделены на нульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы (порошки)), одномерные (квантовые проводники, нанотрубки), двумерные (тонкие пленки, поверхности разделов) и трехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры) по количеству направлений в которых линейные размеры превышают 100 нм. Соответствующий размерный подход применим и к наноструктурам, где речь идет о структурных элементах. Из вышеперечисленного видно, что различные наноматериалы и наноструктуры значительно различаются как по технологии изготовления, так и по функциональным признакам, но их объединяет характерный малый размер элементов (частиц, зерен, трубок, пор), определяющий структуру и свойства.

В настоящее время существует несколько классификаций наноматериалов в зависимости от характерных размеров структурных элементов, химического состава и распределения фаз, физических явлений, особенности свойств и функционального назначения. Поскольку особенности свойств наноматериалов связаны именно с их структурными размерами, то интересной представляется геометрическая классификация Р. Зигеля (рис. 1), согласно которой наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на нанодисперсии (атомные кластеры и наночастицы) и наноструктурные материалы, такие как: многослойные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объёмные наноструктурные материалы. [ 3 ]

Нанодисперсии представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул распределённые в однородкой среде (газе, жидкости или твёрдом теле) и изолированные один от другого. Расстояния между включениями могут составлять от десятков нанометров до долей нанометоров (для нанопорошков).

наноматериал состав химический

Рисунок 1. Классификация наноматериалов по Р. Зигелю:

0-атомные кластеры и наночастицы; 1-многослойные материалы;

2-наноструктурные покрытия; 3-объёмные наноструктурные материалы.

Важным фактором, действующим в наноматериалах является склонность к появлению кластеров, которые являются промежуточным звеном между изолированными атомами (молекулами) и массивным (объёмным) телом. Переход от прерывистого электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к непрерывному для отдельных зон электронному энергетическому спектру, характерному для твёрдых тел, происходит через атомные кластеры. Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, и наличие сил притяжения между ними, которые для наноматериалов больше по сравнению с массивными материалами, часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур на подложке. [ 3, 8 ]

Кластер представляет собой группу из счётного и переменного количества взаимодействующих атомов. Свойства кластера зависят от количества составляющих его атомов, но эта зависимость не носит постоянно изменяющийся характер, то есть существует некоторое максимальное количество атомов в кластере когда добавление ещё одного атома не изменяет свойства кластера. В нанокристаллических дисперсных и объёмных материалах такая зависимость свойств отсутствует, но появляется зависимость свойств от размеров частиц (зёрен, кристаллитов) и/или пор. Например, частица никеля становится бездислокационной (механические свойства) при диаметре 140 нм и однодоменной (магнитные свойства) при диаметре 60 нм. [ 1 ]

2. Особенности свойств наноматериалов

Свойства наночастиц (кластеров и порошков) оказывают существенное влияние на формирование свойств материалов, элементами структуры которых они являются. Так кластеры и наноматериалы на их основе обладают рядом особенностей, приводящих к изменению их оптических, магнитных и электропроводящих свойств. Нанометровый размер приводит к дополнению зонной структуры отдельными электронными уровнями, и влияние поверхности кластера ограничивает длину свободного пробега носителей. Это приводит к изменению правил отбора, появлению новых оптических переходов, изменению энергии переходов, изменению времени флуоресценции и люминесценции, увеличению силы осцилляторов. Важным фактором, определяющим свойства наноматериалов, является влияние матрицы нахождения кластера. Упорядочение нанокластеров в матрице дает возможность создания фотонных кристаллов, имеющих постоянную решётки, сравнимую с длиной волны видимого света, что даёт возможность окрашивания материала в тот или иной цвет светового спектра или поглощение света определённой длины волны. Интенсивность поглощения увеличивается в уменьшением размера частицы.

Наноразмерность кластера приводит к появлению нового эффекта -одноэлектронной проводимости. Становится возможным синтез наноустройств на основе нанопроволок, нанодиодов.

К кластере магнитный момент каждого атома взаимодействует с моментами других атомов, что может выстроить все моменты в одном направлении по отношению к какой-либо оси симметрии кластера. Такой кластер обладает суммарным ненулевым магнитным моментом и является намагниченным. Атомы в кластере совершают постоянные колебания, причем энергия колебаний увеличивается с ростом температуры. Эти колебания вызывают некоторое разупорядочивание магнитных моментов отдельных атомов в кластере, так что его полный магнитный момент уменьшается. Магнитный момент отдельного кластера взаимодействует с приложенным постоянным магнитным полем таким образом, что его расположение по полю становится более вероятным, чем против поля. Полный магнитный момент понижается при повышении температуры. Этот эффект называют суперпарамагнетизмом. [ 4 ]

Наночастицы обладают высокой химической активностью и способны эффективно взаимодействовать со многими веществами, включая инертные газы и благородные металлы, чему способствует сильно развитая поверхность и избыточная энергия поверхностных атомов. Данное свойство наноматериалов широко используется в катализаторах и фильтрах тонкой очистки газовых и жидких сред. Размер наночастиц оказывает значительное влияние на способность взаимодействовать с другими веществами. Например, кластеры алюминия , , активно взаимодействуют с кислородом, тогда как кластеры , c ним почти не взаимодействуют, что свидетельствует о зависимости реакционной способности кластеров от числа атомов в них. [ 1 ]

Высокодисперсным наноматериалам присущи такие явления, как самовозгорания и пирофорности, которые, как правило, очень нежелательны и сильно затрудняют получение и использование наноматериалов.

Самовозгорание - возникновение горения в результате самонагревания твердых материалов, вызванного самоускорением в них изотермических реакций. Оно происходит из-за того, что тепловыделение в ходе химической реакции больше теплоотвода в окружающую среду. В зависимости от природы самонагревания различают химическое, микробиологическое и тепловое самовозгорание.

Температура самонагревания представляет собой минимальную температуру, при которой обнаруживается тепловыделение. Она определяет начало процесса самовозгорания. По достижении в ходе саморазогрева температуры самовозгорания, возникает горение материала , которое может осуществляться тлением или пламенным горением.

Пирофорность - явление химического самовозгорания некоторых веществ при контакте их с воздухом в отсутствие нагрева.

Основной особенностью пирофорных веществ является то, что температура их самовозгорания ниже комнатной. К пирофорным относятся такие вещества, как высокодисперсные металлы, карбиды щелочных металлов, белый фосфор, металлоорганические соединения.

Нанокристаллические материалы широко представлены порошковыми объектами, сырьём для получения которых являются нанопорошки металлов и неметаллов. Характеристики порошковых нанокристаллических материалов обусловлены как свойствами самих наночастиц, так и особенностями их взаимодействия.

Если говорить о наноматериалах в целом, то одной из важных особенностей их структуры является обилие поверхностей раздела (межзеренных границ и тройных стыков - линий встречи 3-х зерен).

С уменьшением размера зёрен увеличивается доля границ раздела и их влияние на свойства наноматериалов. С уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренной компоненты (границ раздела) увеличивается с 0,3 до 87,5 %. Объемные доли межзеренной и внутризеренной компонент достигают одинакового значения (по 50%) при размере зерна порядка 5 нм. [ 3 ]

У поверхностных атомов, в отличии от находящихся в объеме зерна, задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов находящихся на выступах и уступах поверхности ненасыщенность связей еще выше. Поскольку доля поверхностной энергии становится достаточно существенной по сравнению с энергией в объёме зерна, то для понижения общей энергии системы необходима такая деформация кристалла, при которой поверхностная энергия системы будет понижаться. Такое понижение осуществляется за счёт изменения кристаллической структуры наночастицы, то есть переход от менее плотной ОЦК - структуры к более плотной ГЦК - и ГПУ-структуре.

Неравновесность границ зерен вызывает возникновение высоких напряжений и искажения кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери дальнего порядка. Результатом является значительное повышение микротвердости.

При уменьшении размера частиц происходит изменение их термодинамических свойств и перестройка колебательного спектра, что является основной причиной, приводящей к понижению температуры плавления нанокристаллов. Зависимость поверхностной энергии частицы от её размера предопределяет наличие аналогичной зависимости для температуры плавления наночастицы. Заметное понижение температуры плавления наблюдается когда размер частиц становиться меньше 10 нм.

«Изменение температуры плавления металлов в зависимости от размера частиц, один из первых эффектов, привлекших внимание исследователей. С уменьшением размера частиц температура плавления металлов может понижаться на несколько сотен градусов. Например, температура плавления «компактного» золота составляет 1340 К, а при переходе к частицам размером 2 нм температура плавления понижается на 1000 градусов.» [ 3 ]

Кинетические свойства, такие как диффузионная подвижность, теплопроводность и др., существенно зависят от размера структурного элемента. Для многих металлов (Pd, Сu, Ni, Ag и др.) в наноструктурном состоянии наблюдается повышение теплоемкости и увеличение коэффициентов термического расширения, уменьшение теплопроводности.

Одна из причин повышения теплоемкости наноструктурированных материалов обусловлена вкладом зернограничной фазы, которая имеет уменьшенную температуру Дебая и повышенную теплоемкость по сравнению с крупнозеренным материалом. [ 2 ]

Многими исследователями обнаружено значительное повышение удельного электросопротивления нанокристаллических Сu, Pd, Fe, Ni и различных сплавов при уменьшении размера зерен.

Другим аспектом, является тот факт, что свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов (в первую очередь вакансий и дислокаций). При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. Поскольку процессы деформации и разрушения протекают в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, то это во многом определяет возникновение ряда физических эффектов, в т.ч. физического предела текучести и физического предела усталости. [ 1 ]

Заключение

Наноразмерными структурами обладают материалы, элементы строения которых имеют нанотехнологические размеры не превышающие 100 нм хотя бы в одном направлении, благодаря чему данные материалы получают новые физические и механические свойства.

В современном мире наноматериалы представлены как наночастицами, так и наноструктурированными объёмными материалами. Зависимость свойств наноматериалов обусловлена размером и структурой как отдельных частиц, так и от их взаимодействием в структуре объёмного объекта. Так особенности свойств атомных кластеров с определённым количествов атомов или молекул проявляются в изменении электромагнитных, оптических и реакционных свойств наноматериалов.

Главной особенностью наноматериалов является увеличение объёма доли поверхности раздела (границ между зёрнами) с уменьшением размера зёрен или кристаллитов, что приводит к большой протяжённости границ раздела и увеличивает их роль.

На формирование поверхности раздела оказывает влияние сток точечных и линейных кристаллических дефектов (в первую очередь вакансий и дислокаций). При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей, что во многом определяет изменение ряда физических эффектов, в т.ч. физического предела текучести и физического предела усталости.

Наличие в наноматериалах мелких зёрен с высокой поверхностной энергией, большой протяжённости границ раздела и их неравновесность, вызывающая возникновение высоких напряжений и искажение кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, существенно изменяют термодинамические свойства (межфазных превращений, температуры плавления и т.д), свойства электропроводимости (увеличение электросопротивления), магнитные свойства и ряд физико-механических свойств материалов (твёрдость, предел текучести, предел усталости), что находит применение в различных отраслях промышленности.

Используемые источники

1. Азаренков Н.А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. Свойства. Область применения. Особенности современного наноструктурного покрытия / Н.А.Азаренков, В.М.Береснев, А.Д. Погребняк, кол.-М.: КД Либроком, 2013.-368с.

2. Воронов В.К. Свойства и применение наноматериалов: Учебное пособие / В.К.Воронов, А.С.Янюшкин.-Ст. Оскол: ТНТ, 2013.-220 с.

3. Матренин С.В. Наноструктурные материалы в машиностроении: учебное пособие / С.В.Матренин, Б.Б.Овечкин; Томский политехнический университет.-Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.-186 с.

4. Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П.Суздалев.-М.: КД Либроком, 2014.-592 с.

5. http://mirprom.ru/public/nanomaterialy-i-nanotehnologii-dlya-mashinostroeniyasostoyanie-i-perspektivy-primeneniya.html

6. http://nano-info.ru/post/439

7. http://nanojournal.ifmo.ru/wp-content/uploads/2013/01/NPCM2012-36P91.pdf

8. http://www.dissercat.com/content/mikrostrukturirovannye-svetovody-dlya-generatsii-perestraivaemykh-po-chastote-sverkhkorotkik#ixzz4APv2oXXC

9. http://pstu.ru/files/file/adm/abiturientu/obemnye_nanostrukturnye_materialy_i_nanostrukturirovannye_pokrytiya.pdf

10. http://valve-industry.ru/pdf_site/73/73-Kochanov.pdf

11. www.studopedia.info/3-12445.html

Размещено на Allbest.ru