Физика и химия современных материалов Наноматериалы Родин Алексей

Физика и химия современных материалов. Наноматериалы. Родин Алексей Олегович Доцент кафедры физической химии, НИТУ «МИСи. С»

Материал - это • вещество или смесь веществ, из которых изготавливается что-либо или которые способствуют каким-либо действиям (википедия). • Химические элементы – это…… • Вещества- это……

Что такое материал? • материал определяется совокупностью его физических и химических свойств, а также физических и химических приемов, использованных при его создании. • Добавим еще механические свойства, стоимость его создания, его воспроизводимость Это и есть материаловедение

Современные материалы Как подойти к проблеме выбора материала? Сколько стоит увеличить прочность? Количественные критерии при выборе материалов для конкретных целей

Присутствие элементов в земной коре Minable grades > 42% Iron 1 kg of iron = 2. 5 kg ore Minable grades > 0. 0002% Platinum 1 g Platinum = 500 kg руды

Алюминий- склонен к разрушению при воздействии агрессивной среды Разработана методика получения хрупкого зернограничного излома алюминиевых сплавов - можно изучать процессы на внутренних поверхностях раздела Al-4, 2 %Cu-0, 1%Ce Происходит замена интерметаллида Al 2 Cu на Al 4 Ce Интерметаллидов церия в объеме нет

Межкристаллитное разрушение (продолжение) Без церия с церием Максимальное разрушение снижено почти на 40 %

Склонность к межкристаллитному разрушению • До испытаний в растворе 3 % Na. Cl + 1 % HCl • Вид с поверхности 1 • Вид с поверхности 2 Без церия без церия с церием

Разрушение алюминия- пластичного металла Подобный с подобным не взаимодействует?

Свойства материала определяются не только природой, но и структурой

Эффект памяти формы

Эффект с памятью формы 1. Forced opening of clip branches in the temperature range 0 + 10 С and tissue piercing. 2. Clipping of the vessel (structure) due to direct SME at Т 370 С. 3. Partial unclosing of clip branches in the temperature range +10 + 30 С due to two-way SME.

Адсорбция и механические свойства Вследствие адсорбции охрупчивающих примесей, металл ломается по границам зерен. Введение легирующих элементов в микроколичествах позволяет снизить концентрацию охрупчивающих примесей на границах зерен

Двигатели самолетов Numbers: perhaps 103 per year Weight: 300 kg Numbers: 104 per year Weight: 2000 kg

Двигатели самолетов

Направленное формирование структуры границ зерен Легирование Исходное состояние границ Термическая обработка Изменение химического состава Формирование упрочняющих фаз

Монокристаллические никелевые жаропрочные сплавы • Никелевые жаропрочные сплавы – материалы со сложной структурой и сложным химическим составом. Для повышения длительной прочности их легируют рением и рутением. Однако, такое легирование приводит к возникновению повышенной пористости как в процессе литья, так и в процессе гомогенизации при взаимной диффузии различных элементов. Малые поры устраняются под действием сил поверхностного натяжения. Как уменьшить большие поры? Подобрать режимы горячего изостатического прессования так, чтобы концентрация элементов выравнивалась, а поры растворялись под давлением.

Эффекты на границах зерен и микроструктура никелевых жаропрочных сплавов Введение бора в сотых процента позволяет модифицировать межфазные границы в никелевых жаропрочных сплавах, и повысить жаропрочность сплава на 30 %. Микроструктура никелевых жаропрочных сплавов с повышенной прочностью (время работы увеличено со 100 до 1000 часов). Тёмные прослойки- твёрдый раствор толщиной 50 -100 нм.

Изготовление сплавов Испытания на длительную прочность Изучение микроструктуры Подбор режимов Гомогенизация при температурах 1285 -1320 °С, и ГИП при температурах 1300 -1330°С и давлении аргона 110 и 170 МПа Пор нет

Результаты испытаний Длительная прочность при температуре 1100 С и нагрузке 120 МПа больше 1000 часов.

телефон Numbers: was 2 x 107 per year Lifetime: 10 years Numbers: > 109 per year Lifetime: 18 months

телефон

Преимущества перед лучшими зарубежными аналогами: Параметр Общая толщина фольги (микрон) Толщина функционального покрытия (микрон) Удельная емкость 1 микрона емкость толщины функционального покрытия (мк. Ф/кв. см) (мк. Ф Образец анодной фольги Травленый аналог Преимущества образца перед аналогом 30 100 -110 6 72 Выше реализация емкости на меньшей толщине 15 2, 1 Выше удельная емкость Уменьшение размеров конденсатора

Разработана катодная фольга с высокой емкостью —— 10 m —— 1 m Преимущества перед лучшими зарубежными аналогами: - удельная емкость - 3000 мк. Ф/см 2, что в 5 -6 раз выше, чем у зарубежных аналогов, изготовленных по технологии электрохимического травления (450 -600 мк. Ф/см 2). Достижимая емкость - до 5000 мк. Ф/см 2; - толщина на 40% меньше; - прочность на 20 -30% выше. Применение напыленной катодной фольги в современных алюминиевых конденсаторах с проводящим полимером в качестве электролита позволяет увеличить их удельную емкость на 70%. Характеристики катодной фольги подтверждены результатами тестирования ведущих мировых конденсаторных компаний.

Нанотрубки, фулерены

Наноантенны превращают тьму в свет Батареи с такими наноструктурными элементами работает ночью, утилизируя ИК-излучение, которое испускают ночью Земля, здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами. Плёнка с наноантеннами гораздо дешевле классических солнечных батарей – для создания опытного образца такой экзотической солнечной батареи использовали б/у полиэтиленовые мешки. Толщина узорного проводящего покрытия в батарее составляет всего тысячу атомов.

Создание пористой структуры в полимерных материалах Трековые мембраны находят применение в медицине, например в очистке лекарственных средств, вирусных суспензий (вакцин), получении плазмы крови (лечебный плазмаферез), бактериологическом контроле качества пищевых продуктов и воды.

Учимся у природы 1 Магниточувствительные бактерии умеют синтезировать кристаллы магнетита Fe 3 O 4 практически одинаковой формы и с узким распределением по размерам 50 -80 нм. Бактерии имеют специальные органеллы – магнитосомы, в которых и происходит синтез частиц магнетита из солей железа.

Доставка ЛЕКАРСТВ К ПОРАЖЕННЫМ ОРГАНАМ Можно заставить магнитные частицы двигаться в потоке против течения – скажем, внутри кровеносного сосуда, чтобы использовать эти частицы для прицельной доставки лекарственного препарата к различным органам. Другая сфера применения – так называемая локальная гипертермия, цель которой – тепловым воздействием разрушить новообразование. Использование таких магнитных частиц позволяют сделать такую процедуру более прицельной и более

поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение подобно эластичной пленке на поверхности FS поверхностное натяжение FW сила тяжести

Поверхностное натяжение в жидкостях

Маленькое кино

Второе маленькое кино

Учимся у природы 2 Ящерицы легко перемещаются по различным вертикальным поверхностям и даже по потолку Волосообразные щетинки, обнаруженные на лапках гекконов, делятся на лопатообразные кончики из bкератина размером 100 -200 нм. Прочность сцепления 10 Н/см 2

Еще одно маленькое кино

Что такое плащ – невидимка?

Что такое метаматериалы? Материалы, составленные из структурных элементов определенных геометрических размеров и с заданными физическими свойствами?

Метаматериалы Может ли коэффициент преломления быть отрицательным? В естественном материале - НЕТ Если его создать из определенных структур - ДА Если создать определенный закон изменения диэлектрической проницаемости, то свет не будет отражаться, а отраженные сзади лучи будут огибать объект ПОКА ТОЛЬКО НА ОПРЕДЕННЫХ ДЛИНАХ ВОЛН

ОБОРУДОВАНИЕ

Внешний вид РЭМ JEOL JSM– 6700 F

Принципы РЭМ катод фокусирующий электрод анод конденсорная линза диафрагма отклоняющие катушки объективная линза Генератор сканирования детекторы образец ОЭ ВЭ ПЭ ХР Усилитель видеосигналов

Основные характеристики РЭМ • Энергия электронов зонда E 0 ~0. 1 30 кэ. В • Вторичные электроны (ВЭ): E=20 200 э. В d ~1 3 нм, Mпол~ 65 000, топография поверхности • «Отраженные» электроны (ОЭ): E~E 0 d ~30 нм, Mпол~ 6 500, различие в атомном номере • Характеристическое рентгеновское излучение (РХИ) d ~100 нм, Mпол~ 2 000, распределение определенного химического элемента

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII SAMPLE EL EC TO NS AU GE R INCi. DENT BEAM (PRIMARY ELECTRONS) AES – Auger Electron Spectroscopy

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII AES – Auger Electron Spectroscopy Ed. N(E)/d. E E N(E) x 5 Cu LMM Cu MNN 10, 000 X E N(E)

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII SAMPLE PH OT OE LE CT RO NS INCi. DENT BEAM (X-RAY) XPS/ESCA – X-ray Photoelectron Spectroscopy/Electron Spectroscopy for Chemical Analysis

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII XPS/ESCA – X-ray Photoelectron Spectroscopy/Electron Spectroscopy for Chemical Analysis

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII SAMPLE SE CO ND AR Y IO NS INCi. DENT BEAM (PRIMARY ION BEAM) SIMS – Secondary Ion Mass-Spectrometry

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII SIMS – Secondary Ion Mass-Spectrometry

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII Secondary Electrons Primary Electron Beam Auger Electrons Backscattered Electrons 4 -50 Å >Atomic No. 3 Characteristic X-rays Sample Surface <1 - 3 m > Atomic No. 4 Volume of Primary Excitation F

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII

MATERIALS SCIENCE OF SEMICONDUCTORS AND DIELECTRICS DEPARTMENT MSII DEPTH RESOLUTION