close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

решает широкий спектр задач - Нанотехнологии

код для вставкиСкачать
Южно-Уральский
Южно-Уральский государственный
государственный университет
университет
Конструкционные и
функциональные
наноматериалы, их
характеризация и перспективы
Сапожников С.Б.,
Жеребцов Д.А.
19.09.2014
1
Содержание презентации:
1.
2.
3.
4.
Направления исследований
Оборудование
Результаты
Перспективы
19.09.2014
2
Справка
- Производство керамик из бимодальных смесей с наночастицами
(повышение прочности в 1,5...2 раза).
Введение тугоплавких нанопорошков в сплавы алюминия Д1, Д16 и АМг6
увеличивает прочность на 5-10%, пластичность на 10-30%, а в сплавы
алюминия АЛ2, АЛ11 и АК7 увеличивает прочность на 3-20%,
пластичность в 1,8-7,3 раза.
Модифицирование серого чугуна повышает прочность на растяжение на
20%, а для высокохромистого износостойкого чугуна увеличивается
твердость с 57 до 63 HRC, износ по стали снижается на 49%.
Созданы антимикробные материалы на основе нано-Ag и Al2O3.
Созданы рентгенозащитные наноструктурированные материалы на
основе никелида титана, полученного интенсивной пластической
деформацией.
Разработаны жидкие и пластичные смазки с добавками наночастиц
углерода, меди, алмаза, корунда (ФОРСАН,ХАДО, АМС и др.)
Созданы наномембраны для газов, фильтры для бактерий и адсорбенты.
19.09.2014
3
Справка (США, <2005)
В 2005 году три крупнейших и признанных научных центра США –
MIT, Berkeley и Stanford провели симпозиум "Nanotech: From Promise to
Reality", на котором обсудили планы и достижения нанотехнологий.
Наиболее перспективные области приложения усилий:
космонавтика, авиа- и автомобилестроение (повышение
прочности, пластичности, износостойкости материалов, новые
топлива, новые источники и проводники тока и микросхемы);
оборонные отрасли (повышение прочности и пластичности
материалов, новые ВВ, повышение радиопрозрачности и
фокусировки коротковолнового излучения);
энергетика (водородная энергетика и сверхпроводимость);
квантовая метрология (измерения на молекулярном уровне);
сборка молекул (манипуляции с нанообъектами);
нанобиология (нанороботы);
нанотрубки и химия фуллеренов.
19.09.2014
4
2. Направления исследований
в ЮУрГУ
1. Получение наночастиц и
наноматериалов
2. Характеризация наноматериалов
3. Математическое моделирование
нанообъектов, наноматериалов и
нанотехнологий
4. Практическое использование
наноматериалов
19.09.2014
5
3. Оборудование НОЦ
1. Производственное (мельницы, диспергатор, классификатор, гомогенизатор,
детонационный комплекс, центрифуга,
печи, перчаточный бокс и др.)
2. Аналитическое и испытательное
(микроскопы: оптические, электронные –
сканирующие, просвечивающие, атом-носиловые), механические испытания,
нанотвердометрия, наносклерометрия, ДТА,
ДМА, вискозиметрия, ИК- и массспектроскопия и др.)
19.09.2014
6
1. Получение наночастиц и наноматериалов
создание лабораторной базы для получения микро- и
наночастиц (мельницы и гомогенизаторы);
объемная и поверхностная модификация материалов
(наполнение полимеров и металлов, детонационное
напыление микро- и наночастиц);
создание наноструктурных металлов и установок для их
лабораторного и промышленного получения;
создание нанопористых стеклоуглеродных и оксидных
материалов;
разработка технологии легирования кварцевого стекла
наночастицами на стадии золя SiO2;
разработка технологии выращивания монокристаллического
нитрида галлия;
развитие матричных методов получения фотонных
кристаллов;
разработка триботехнических наносуспензий и наноэмульсий;
производство наноалмазов и композитов на их основе...
19.09.2014
7
производственное оборудование
Измельчение до нанометров
Планетарная мельница
Ауд.02
19.09.2014
Дезинтегратор
Гомогенизатор
ауд.04
8
производственное оборудование
Гомогенизация (схема BEEI)
Суспензия микрочастиц
за счет интенсивной
турбулентности в
реакторе превращается в
суспензию наночастиц.
Давление в камере достигает
3000 бар. Суспензия выходит в
реактор D=0,5 мм через алмазное
сопло d=0,1 мм
19.09.2014
9
испытательное оборудование
1.
Получение наночастиц и наноматериалов
3.
4.
Математическое моделирование наноматериалов и технологий
Практическое использование наноматериалов
2. Характеризация наноматериалов
Установка INSTRON
5882 (ауд.275)
Испытания на
растяжение/сжатие/изгиб,
контактные и бесконтактные
тензометры, термокамера
(20...3500С), вязкость
разрушения, циклическое
нагружение...
19.09.2014
10
Универсальная испытательная машина Instron 5880
Самозатягивающиеся захваты
Универсальная испытательная машина Instron 5880
Термокамера
Опоры для испытаний на изгиб
Универсальная испытательная машина Instron 5880
Бесконтактный видеоэкстензометр AVE
(по деполяризующим меткам)
Универсальная испытательная машина Instron 5880
Результаты испытаний
Диаграмма вдавливания и разгрузки при
испытаниях на твердость по Бринеллю
Универсальная испытательная машина Instron 5880
Результаты испытаний
Испытание стальных образцов на растяжение
с автоматическим протоколированием данных
Универсальная испытательная машина Instron 5880
Результаты испытаний
Испытание ленты толщиной 0,1 мм из аморфного никеля.
Определение предела прочности и модуля упругости.
аналитическое оборудование
Термический анализ
Совмещенный STA: дифференциальный термический
анализ+масс/ИК-Фурье спектроскопия (NETZSCH) ауд.04
19.09.2014
17
Результаты ТГА+МС+ИКФурье
Наноматериал на основе гидролизованного
тетрабутилтитаната
19.09.2014
18
аналитическое оборудование
Динамический
механический анализ
Установка DMA 402 (NETZSCH) ауд.04
19.09.2014
19
Динамический мех. анализ
PVC пластифицированный
19.09.2014
(nanoSilicon Oil drops)
20
Технические данные DMA 242C
Диапазон частот
0.01-100 Гц
Максимальная нагрузка
16 Н
Диапазон амплитуд
7.5 – 240 мкм
Температурный диапазон
-170…600 0С
Скорости нагрева
0.01…20К/мин
Атмосфера образца
статическая (воздух),
динамическая (инертный газ)
Держатели образцов
растяжение, сдвиг, сжатие,
пенетрация, трехточечный
изгиб, двухплечевой изгиб
19.09.2014
Результаты испытаний
Эпоксидная смола, наполненная наночастицами SiO2
Вид деформации: растяжение
Дин. сила: 0,8 Н
Скорость нагрева: 1К/мин
Объемная доля частиц 1%
Объемная доля частиц 4%
1 Гц
1 Гц
10 Гц
10 Гц
20 Гц
20 Гц
19.09.2014
Результаты испытаний
Эпоксидная смола, наполненная наночастицами SiO2
Добавление наночастиц оксида кремния SiO2 в эпоксидную смолу увеличивает
модуль упругости полимера, изменяет температуру стеклования. При
добавлении наночастиц оксида кремния SiO2 до 4% (по объему) происходит
увеличение модуля упругости и температуры перехода полимера из
стеклообразного состояния в высокоэластичное по сравнению с эпоксидной
смолой без наночастиц.
При
объемных
долях
свыше 4% начинается
уменьшение
модуля
упругости.
При температурах свыше
600С уменьшение модуля
упругости начинается уже
при объемной доле 3%.
19.09.2014
Результаты испытаний
Эластомер, наполненный наночастицами SiO2
Пик 18,50С, 1.43
Вид деформации: пенетрация
Пик 18,80С, 0.94
Пик 17,60С, 1.16
Дин. сила: 1 Н
Скорость нагрева: 1К/мин
При наполнении эластомера наночастицами SiO2 в области
отрицательных температур максимальное
значение
тангенса
угла
механических
потерь уменьшается
в 3 раза при V=21%
Пик 24,50С, 0.5
в 1,5 раза при V=14%
Температура перехода стеклования
изменяется на 60С
Объемная доля частиц
19.09.2014
0%
9%
14%
21%
испытательное оборудование
Склерометрия и индентирование
Нанотвердомер
NanoScan (ауд.04)
Измерение на нанометровом
уровне твердости, модуля
упругости, склерометрия,
измерение рельефа.
19.09.2014
25
Характеризация (методы)
Склерометрия (NanoScan)
19.09.2014
26
Склерометрия
Кварцевое стекло, склерометрия
(NanoScan)
Глубина 70 нм,
поле 10х20 мкм
19.09.2014
27
аналитическое оборудование
Атомно-силовой
микроскоп
NT-MDT (Solver Pro)
19.09.2014
ауд.445
28
6. Характеризация (методы)
Определение размеров частиц:
SEM, TEM, АFМ, LD, IA, IG (new)
Агломераты наноSiO2
19.09.2014
Одиночные наночастицы
29
SPM-сканирование
Одиночные наночастицы Au на стеклоуглероде
19.09.2014
Solver Pro 47
30
AFM-сканирование БС резины
Образец № 4
V=21%
Рельеф
H=57 нм
Площадь
S=2,89 мкм2
Полуконтактный
режим сканирования
Нанокластеры
SiO2+оБСР
19.09.2014
31
аналитическое оборудование
Электронные микроскопы
Сканирующий: SEM JEOL JSM 6460LV
Ауд.433
19.09.2014
Просвечивающий: TEM JEOL JEM 2100
Ауд.03
32
Сканирование (SEM)
Нанокерамика низкой плотности Al2O3
19.09.2014
33
аналитическое оборудование
Исследования вязкости
Ротационные вискозиметры Brookfield (США)
LVIII Ultra+, R/S plus (ауд.04)
19.09.2014
34
5. Наноматериалы
Полимеры (реактопласты, эластомеры,
термопласты + наноSiO2/Al2O3/CNT)
Нанопористый стеклоуглерод (чистый и
допированный Au, Ag, Co, Fe3C)
Нанометаллы (сталь, алюминий, чугун и др.)
в наноструктурированном состоянии и с
добавками наночастиц SiO2/Al2O3 )
Монокристаллический нитрид галлия
Метаматериалы (фотонные кристаллы, …)
Наноалмазы и др.
19.09.2014
35
Научные проблемы
нанокомпозитов,
математическое моделирование
Нарушение правила смеси для плотности НК
Неоправданно значительное увеличение модуля упругости и предела прочности НК
при малом объемном наполнении наночастицами
Увеличение деформаций разрушения и вязкости разрушения НК по сравнению с
наполнением микрочастицами
Аномальное увеличение вязкости суспензий при наполнении НЧ
Увеличение температуры стеклования НК с увеличением объемного содержания НЧ
Увеличение внутреннего демпфирования с увеличением объемного содержания НЧ
Уменьшение скорости диффузии с одновременным увеличением предельного
насыщения НК парами воды
Увеличение износостойкости НК в парах скольжения
Увеличение
кавитационной
стойкости
наносуспензий
по
сравнению
с
микросуспензиями
Увеличение температуры размягчения и каплепадения консистентных смазок
Уменьшение износа фильер при волочении проволок при использовании смазочных
наносуспензий
...
=∑¡v¡, ∑v¡ =1.
19.09.2014
36
Упругие свойства нанополимеров
Аппроксимация макро
E/Em exp(3,0*V*k)
Относительный модуль
упругости эластомера
при температуре –200С
для различной степени
наполнения:
1– нанонаполнитель
(эксперимент),
2 – нанонаполнитель
(расчет, k=2,36),
3 – макронаполнитель
(эксперимент, расчет, k=1)
Для температур -20…+60oC:
k=2,2…2,6.
19.09.2014
37
Макромодель БСР+наноSiO2
эксперимент
расчет
19.09.2014
38
Практические приложения
наноматериалов
Конструкционные наноматериалы – легкие сплавы, стали,
чугуны – характеризуются в исходном состоянии мелким зерном,
повышенными на 25...30% механическими свойствами при сохранении
технологических приемов переработки. Возрастание стоимости за счет
применения нанодобавок – 1...2%. Применение наноматериалов
особенно актуально для авиации, космонавтики, автомобилестроения,
химического машиностроения, энергетики подъемно-транспортных машин
и др.
Стеклоуглеродные наноматериалы необходимы для
производства электродов топливных ячеек, катализаторов,
адсорбентов, для нужд химической, пищевой промышленности,
поглотителей вредных веществ из воздуха (для противогазов,
подводных лодок, космических кораблей) и т.д.
Нитрид галлия – основа белых и УФ- светодиодов,
оптоэлектроники, полупроводниковой техники.
19.09.2014
39
Наномодификация
бронематериалов
Тканевые структуры с поверхностной обработкой суспензией наночастиц корунда в
полимерной матрице – повышение сопротивления низкоскоростной пенетрации в 2
раза при утяжелении ткани
менее 10%.
Допирование (<0,1%vol CNT)
поликарбоната как прозрачной брони для СИБ с увеличением вязкости разрушения на
25%.
Внешнее армирование стальных бронепластин полимеркерамическими слоями.
19.09.2014
40
Измельчение зерна в отливках
Введение тугоплавких наночастиц в расплав:
алюминия Д1, Д16 и АМг6 увеличивает прочность на 5-10%, пластичность на 1030%;
алюминия АЛ2, АЛ11 и АК7 увеличивает прочность на 3-20%, пластичность в 1,87,3 раза;
серого чугуна СЧ15 повышает прочность на растяжение на 20%, а высокохромистого износостойкого чугуна увеличивает твердость с 57 до 63 HRC, износ снижается на 49%.
Разбросы объясняются тем, что трудно хорошо диспергировать наночастицы в
объеме расплава.
В 2008 г. сотрудниками НОЦ «МиНТ» ЮУрГУ эта
проблема решена, получен патент РФ на «Способ измельчения зерна металла», где предложен метод закрепления тугоплавких наночастиц
на соответствующем металлическом порошке
шаржированием в планетарной мельнице с последующим введением этого порошка в шихту
при плавке.
19.09.2014
41
Измельчение зерна литой стали,
повышение твердости
Исходная сталь
19.09.2014
Сталь модифицированная
42
Выращивание монокристаллического нитрида
галлия для белых светодиодов
19.09.2014
Стеклоуглеродные наноматериалы для
топливных ячеек, 25000х
19.09.2014
Стеклоуглерод, 500000х
19.09.2014
Стеклоуглерод (ТЕМ), WO2 (SЕМ)
19.09.2014
Разработка золь-гель технологии
легирования особо чистого
кварцевого стекла
19.09.2014
7. Перспективы
(фундаментальные исследования)
НОЦ «НТ» ЮУрГУ будет далее развиваться в направлении материаловедения с углубленным изучением
физико-химии явлений, происходящих на уровне нанометров, с целью построения адекватных математических моделей наноструктур, которые позволят
интегрировать данные наноисследований в макроскопические характеристики новых материалов для их
успешного использования в конструкциях, решая
вопросы ресурсо- и энергосбережения в промышленности.
Будет расширяться биомедицинское направление (цитология, иммунология, травматология), наноэлектроника, нанофотоника и др.
19.09.2014
48
Перспективы
(прикладные R&D) 1
В НОЦ проводятся работы по внедрению технологий
поверхностной и объемной обработки бронематериалов
(тканевых, металлических и керамических) с использованием наночастиц корунда (заявка на пат.РФ).
Ведутся работы по созданию технологий производства
наноалмазов, методов диспергирования наноалмазов
для нового поколения смазочных материалов
Разработаны и внедряются композиции алюмосиликатов с нанодобавками для производства цемента
Разработаны схемы создания пористых носителей
наногидроксилапатита для ортопедии
Разрабатывается технология легирования кварцевого
стекла наночастицами на стадии золя SiO2
Разрабатывается
технология
выращивания
монокристаллического нитрида галлия
19.09.2014
49
Перспективы
(прикладные R&D) 2
•Разработка конструкционных клеев с добавлением
наночастиц для повышения прочности и пластичности соединений
•Создание полимерных нанокерамик для внешнего
армирования стальных защитных пластин
•Повышение поверхностной прочности отливок методом детонационного напыления микро- и наночастиц
•Разработка новых литейных наноструктурированных алюминиевых сплавов
•Создание стеклоуглеродных нанопористых материалов для топливных ячеек
19.09.2014
50
Сотрудничество НОЦ
(договора и гранты)
Программа
исследований
Российской
академии
медицинских
наук
"Нанотехнологии и наноматериалы в медицине" на период 2008-2015 гг.
(три проекта). Работа проводится ЮУНЦ РАМН (г. Челябинск) и НОЦ «НТ»
ЮУрГУ. Научные руководители: акад. РАМН Захаров Ю.М. и проф., д.т.н.
Сапожников С.Б.
Договор с ФГУП "Завод пластмасс" (г. Копейск). Тема: "Разработка
установки для ДК-синтеза наноалмазов". Научный руководитель проф.,
д.т.н. Сапожников С.Б.
Договор с Институтом механики полимеров Латвийского университета
(г.Рига, Латвия). Тема: Исследование структуры и свойств нанополимеров".
Научный руководитель проф., д.т.н. Сапожников С.Б.
Договор с ООО "ФОРТ Технология" (г. Москва). Тема: " Разработка защитных
структур нового поколения с использованием наноматериалов". Научный
руководитель проф., д.т.н. Сапожников С.Б.
Договор с ООО "Пирамида" (г. Челябинск) "Разработка технологии
изготовления цементов из металлургических шлаков с применением
нанокомпонентов". Научный руководитель проф., д.х.н. Михайлов Г.Г.
Гранты Евросоюза и РФФИ по фундаментальным исследованиям свойств
GaN, нанопористому стеклоуглероду и др. Научный руководитель к.х.н.
Д.А.Жеребцов.
Договор с ЗАО «ММЗ» (г. Миасс) «Исследование кварцевых стекол,
исходного сырья (ТЭОС) и силикагеля производства ММЗ с составлением
рекомендаций по борьбе с браком по включениям". Научный руководитель
к.х.н. Д.А.Жеребцов.
19.09.2014
51
6. Публикации, участие в
«нано»конференциях
Красноярск 2003, 2008 (УДПиНМ)
Кисловодск 2005, 2007 (ХТТиСМиНТ)
Ялта 2006 (СНТ-15)
Riga 2004, 2006, 2008 (MCM-14)
Stockholm 2008 (ECCM-13)
Москва 2008 (РосНано)
Edinburgh 2009 (ICCM-17)
Jeju 2009 (ICSN-8) ...
19.09.2014
52
7. Кадровый состав НОЦ
Директор:
Жеребцов Дмитрий Анатольевич, к.х.н.
Заместитель директора:
Дьячук Виталий Владимирович
Инженеры:
Галимов Дамир Муратович
Невьянцев Глеб Игоревич
Шабурова Наталия Александровна, к.т.н.
Грасс Татьяна Сергеевна
Шилова Галина Анатольевна
Форенталь Михаил Вольдемарович
Винник Денис Александрович
Пашнина Ольга Михайловна
19.09.2014
53
Спасибо за внимание!
Научный руководитель НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ
Сапожников Сергей Борисович
ssb@susu.ac.ru
Тел/факс 8(351)267-91-19
Директор НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ
Жеребцов Дмитрий Анатольевич
zherebtsov_da@yahoo.com
19.09.2014
54
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
97
Размер файла
13 451 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа