Тема 1.3. Особенности свойств наноматериалов и основные направления их использования

1.

Тема 1.3. Особенности свойств
наноматериалов и основные
направления их использования
Материаловедение наноматериалов и наносистем

2.

Особенности свойств наноматериалов
✓ Механические: Увеличение твердости (из-за отсутствия протяженных дефектов) в сочетании с
высокой
пластичностью
(благодаря
развитой
сетке
границ).
Увеличение предела текучести, уменьшение порога хладно-ломкости.
✓ Электрические: Полупроводниковый характер проводимости наночастиц металлов (из-за
ограниченного
числа
свободных
электронов).
Изменение температуры Кюри высоко-температурных сверхпроводников с уменьшением размера
частиц.
✓ Магнитные: Зависимость от размера частиц (максимум при монодоменности) суперпарамагнетизм
(при
размере
частиц
менее
1
домена),
гигантское магнетосопративление, магнитные жидкости, пасты и полимеры (с добавкой УДП).
✓ Термические: Уменьшение температуры Дебая, плавления, фазовых переходов, спекания на 15 – 20 %
(из-за изменения спектра фононов) при увеличении теплоемкости.
✓ Оптические: Изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения. Увеличенное
рассеяние, реализация «черного тела».
✓ Химические: Увеличение растворимости (до 20 - 25 %) в кислотах, понижение температуры реакций,
отсутствие «индукционого» периода.

3.

Особенности свойств наноматериалов

4.

Особенности свойств наноматериалов

5.

Зависимость обьемных долей границ раздела,
границ зерен и тройных стыков

6.

Особенности свойств наноматериалов

7.

Триботехника
Наноструктурные многослойные пленки
сложного состава на основе кубического BN, C 3
N 4, Ti. C, Ti. N, Ti(Al, N), обладающие очень
высокой или ультравысокой (до 70 ГПа)
твердостью хорошо зарекомендовали себя при
трении скольжения, в том числе ряд пленок – в
условиях ударного износа. Сообщается о
разработке сверхтвердых нитридных пленок с
наноструктурой; отмечаются хорошие
триботехнические свойства пленок с аморфной и
наноструктурой из углерода и нитрида углерода,
а также из Ti. C, Ti. N и Ti. CN. В качестве
самосмазывающихся покрытий для космической
техники предлагаются многофазные
наноструктурные покрытия на основе Ti. B 2 -Mo.
S 2 c твердостью 20 Гпа и коэффициентом трения
скольжения по стали 0, 05. Металлические
нанопорошки добавляют к моторным маслам для
восстановления трущихся поверхностей.

8.

Медицина и биотехнологии
Важной областью применения чистых
наноструктурных материалов, в частности Ti,
является использование их в медицинских целях
– как имплантантов, протезов и в
травматологических аппаратах. Причиной
является сочетание высоких механических
свойств (на уровне сложнолегированных сплавов)
с высокой биологической совместимостью
чистого металла. Наноструктурные пленки
углерода и композиционные нанопленки на
основе углерода и Si, Si. Ox, Si. Nx обладают
хорошей биосовместимостью, химической,
термической и механической стойкостью и
поэтому их перспективно использовать для узлов
биосенсоров, протезов и имплантантов.
Нанопорошки лекарственных препаратов
используются в медикаментах быстрого усвоения
и действия для экстремальных условий (ранения
при катастрофах и боевых действиях)

9.

Нанокерамика ZrO2
Прессование нанопорошков
Способ
прессования
ОКР, нм
Плотнось,
г/см3
<Hv>, ГПа
Магнитноимпульсный
32
5,09 (89%)
9,3
Ультразвуков
ое пресс.
27
4,73(77,6%)
9,0
Горячее
прессование
100
6,1 (100%)
10,0

10.

Сверхпроводящие материалы для термоядерной энергетики
Nb3Sn сверхпроводник для ИТЭР
Число волокон – 10 000, размер
волокон 2μm
Максимальный комплекс свойств
достигается при размере зерен 2030 нм
Nb-Ti сверхпроводник
Число волокон 5 000, Размер
волокон – 6 мкм,
размер выделений титана в
волокнах 10-50 нм.

11.

Нанобериллий
Нанокаркасные материалы для термоядерной энергетики
СЭМ
Вакуумплотная фольга (20 мкм) для рентгеновских окон
ТЭМ

12.

Нанопористые ленты и продуция на их основе
Никелевые пористые прокатные
ленты
Электромобиль «Антэл-2» с
генератором «Фотон МВВ»
ЭХГ матричного типа
ЭХГ с жидким циркулирующим
электролитом

13.

Нанопористые фильтры

14.

Защитные покрытия
Конструкционные детали с хромалмазным покрытием
Инструменты с хромалмазным покрытием

15.

Высокоёмкие конденсаторы на основе нанопорошков Ta и Nb

16.

Многослойные нанокомпозитные материалы для защиты от ЭМИ
Характеристики материала
Диапазон работы, длина волны, см 0,8÷30,0
Толщина, мм
1,0÷6,0 (зависит от области
радиопоглощения)
Плотность, г/см3
0,3÷0,5 (зависит от области
радиопоглощения)
Ослабление сигнала, дБ
4,0÷20,0 (зависит от ширины полосы погл.)
Оптическая микроскопия отдельного
нанокомпозитного слоя
Растровая электронная микроскопия
отдельного нанокомпозитного слоя

17.

Постоянные высокоэнергетические магниты

18.

Нанокраски
Пробный оттиск с тестформы
Защитный знак фирмы
КБИ
Цветовые характеристики оттисков (трехзональные спектральные характеристики), на
основе УДП феррит-граната

19.

Наноматериалы в строительстве
Высокопрочный бетон.
Использование
нанотехнологий
в
строительстве
позволяет
добавлять
к
традиционным строительным материалам
определенные свойства, достижение которых
еще недавно считалось небывалым. Так, одним
из актуальных разработок последнего времени
является
создание
долговечного
и
высокопрочного бетона. Согласно расчетам,
такой
бетон
может
без
проблем
просуществовать до 500 лет. Для создания
высокопрочного
бетона
применяются
ультрадисперсные, наноразмерные частицы.
Данные свойства наноматериалов позволяют
использовать высокопрочный бетон для
строительства небоскребов, большепролетных
мостов,
защитных
оболочек
атомных
реакторов и тому подобного.

20.

Наноматериалы в строительстве
Высокопрочная сталь.
Исследования
ученых
в
области
наномодификаций металлов и их сплавов
позволили получить высокопрочную сталь,
которая не имеет в настоящее время
аналогов по параметрам прочности и
вязкости.
Применение
таких
наноматериалов самым идеальным образом
подходит для строительства различных
гидротехнических и дорожных объектов.

21.

Наноматериалы в строительстве
Нанопокрытия.
В настоящее время выдающиеся свойства
наноматериалов позволяют применять в
строительстве новые теплоизоляционные
материалы, краски, эмали, лаки и многое
другое. Большим достижением в области
нанопокрытий стала имитация эффекта
лепестков лотоса, которые совершенно
неуязвимы для воды. В результате в Пекине
появилось здание Большого национального
театра, огромный яйцеобразный купол
которого, созданный из стекла и титана,
обработан нанопокрытием, которое не
подвержено загрязнению и смачиванию
осадками.

22.

Наноматериалы в строительстве
Нанокомпозитные трубы.
В нашей стране уже начали применять
нанокомпозитные трубы: они предназначены
для систем водоснабжения, отопления и
газоснабжения. Нанокомпозитные трубы в
несколько десятков раз превосходят свои
привычные аналоги по эксплуатационным
свойствам, а также отличаются невысокой
стоимостью.