Санкт-Петербургский Университет Технологии и Дизайна Кафедра наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А. И. Меоса Строение и свойства аллотропных соединений углерода Доктор технических наук, профессор Александрович ЛЫСЕНКО Санкт-Петербург 2010
Классификация аллотропных форм углерода Шунгит Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 2
Диаграмма аллотропных форм углерода Упрощенная диаграмма А/Г – алмазо-графитные П/Г – пентагонально-гексагональные Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 3
Кристаллические структуры алмаза и лонсдейлита Элементарная ячейка алмаза Кристаллическая структура алмаза Элементарная ячейка лонсдейлита Кристаллическая структура лонсдейлита Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 4
Кристаллическая структура графита и графена Гексагональный (α) графит Получение графена через интеркалирование графита Идеальная кристаллическая структура графена Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса Ромбоэдрический (β) графит слайд 5
Шунгит и карбин Карбин Шунги т —метаморфизованный каменный уголь, являющийся переходной стадией от антрацита к графиту. Терморасширенный графит Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 6
Фуллерен В одном из номеров американского журнала «New scientist» за 1966 год химик Дэвид Джонс высказал идею о создании полых сферических молекул. В то время большинство химиков эту идею проигнорировало. В 1985 году английский химик Гарри Кротто и американский ученый Ричард Смолли синтезировали кластеры С 60 и С 70. Они же пришли к заключению что молекула С 60 имеет форму усеченного иксоэдра с шестьюдесятью вершинами, состоящего из двадцати 6 -угольных и двенадцати 5 -угольных граней. Такая молекула была названа по имени американского архитектора Фуллера (сейчас молекула называется фуллереном). К концу 1991 года была создана простая установка по получению таких молекул. Стоимость промышленно выпускаемых феллеренов составляло 2000$ за грамм. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 7
Некоторые свойства вещества из фуллеренов o С 60 кристаллизуется в виде маленьких черных o o o кубиков; Плотность такого вещества составляет 1, 65 г/см 3; Вещество не плавится до Т = 360 о. С и устойчиво на воздухе; Кристаллическая решетка выдерживает давление до 20 ГПа; Радиус внутренней сферы фуллерена несколько больше 0, 5 нм (радиус молекулы воды составляет 0, 138 нм); Внешний радиус составляет 0, 71 нм. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 8
Фуллерены и их соединения С 60 С 70 С 80 Установлено, что фуллерены могут вступать в реакции с кислородом, атомами металлов и даже с некоторыми органическими соединениями Моноэпоксифуллерен С 60 Молекула C 60 O 5 O 4 * 2(t-C 4 H 9 C 5 H 4) Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 9
Гигантские фуллереновые структуры С 1500 С 600 Ониевые структуры фуллеренов С 660 Масштабный отрезок 5 нм Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 10
Модели структуры углеродных дисперсий Модель сажи Хесса – Бэна -Хейденрейча Модель сажи из концентрических углеродных слоев Модель сажи Донета - Кусторедо Модель шаровидного графита из винтовых углеродных конусов Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 11
НАНОТРУБКИ Строение, свойства и области применения Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 12
Углеродные нанотрубки протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, как правило закрытые с обоих концов «крышками» . Нанотрубка Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 13
История открытия В 1991 году японский исследователь Иджима занимался изучением осадка, образующегося на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание привлекла необычная структура осадка, состоящего из микроскопических нитей и волокон. Сумев разрезать тонкую трубочку вдоль продольной оси, ученые обнаружили, что она состоит из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Эти протяженные структуры получили название нанотрубок. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 14
Зигзагная и кресельная структура нанотрубок Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 15
Хиральность нанотрубок Хиральность нанотрубки - взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки. Хиральность характеризуется двумя целыми числами (m, n). Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 16
Однослойные и многослойные нанотрубки Однослойная нанотрубка Многослойная нанотрубка Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 17
Различные виды многослойных нанотрубок а) русская матрешка б) свиток в) многослойная нанотрубка, содержащая как концентрический слой, так и свитковые структуры Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 18
Микроснимки многослойных нанотрубок Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 19
Микроснимки нанотрубок Увеличение в 100 раз Увеличение в 20 000 раз Увеличение в 11 000 раз Увеличение в 36 000 раз Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 20
Получение нанотрубок o Электродуговой метод o Лазерное распыление o Каталитическое разложение углеводородов o Термическое разложение и осаждение o Электролитический синтез o Синтез в пламени o Другие методы Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 21
Метод дугового испарения Схематическое изображение установки по дуговому испарению üКамера заполнена Не (Р=500 торр); üПодается напряжение 20 В при котором поддерживается разряд; üПроисходит интенсивное термическое испарение анода; üНа торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются углеродные нанотрубки Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 22
Лазерный синтез Схема лазерной установки üГрафитовая мишень находится в кварцевой трубке при Т = 1200 o. С, по которой течет буферный газ (He или Ar). üЛазерный пучок сканирует поверхность графитовой мишени для обеспечения равномерного испарения графита. üСажа осаждается на охлаждаемой водой медной подложке. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 23
Каталитический метод - осаждение углерода на металлической частице. Схема роста нанотрубки при каталитическом методе üРазложение углеводорода на «фронтальной» поверхности металлической поверхности. Полученный углерод и водород растворяется в металле; üРастворенный углерод затем диффундирует сквозь частицу, чтобы потом выделится на движущейся лицевой стороне, формируя нить. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 24
Ориентированные нанотрубки на подложках Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 25
Нанотрубки , содержащие слой CVD Один из способов получения нанотрубок – осаждение паров углерода на поверхность нанотрубок (нановолокон), полученных каталитическим путем либо в дуге. Для придания высоких механических свойств проводят термическую обработку при Т = 2700 – 3000 о. С. Характеристики получаемых нанотрубок: d внутренный = 30 – 90 нм d внешний = 150 - 200 нм L = 50 - 60 мкм Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 26
Нанотрубка , содержащая слой CVD Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 27
Пиподы (анг. peapods - горошины в стручке) - нанотрубки, заполненные фуллеренами o вибрация фуллеренов в нанотрубке Модель идеального пипода Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 28
Образование пиподов Лучше всего для производства пиподов подходит нанотрубка диаметром 1, 3 – 1, 5 нм. - если диаметр меньше, то фуллерен в них деформируется; - в больших трубах фуллерены прилипают по стенкам и не размещаются по центру. При нагреве пиподов до 800 о. С соседние фуллерены могут сливаться образуя димеры и т. д. Дальнейший прогрев приводит к образованию нанокапсул и трубчатых структур – цилиндров. При 1200 о. С отдельные фуллерены практически исчезают и пипод превращается в трубку. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 29
Стоимость нанотрубок Фирмапроизводитель HELIX Material Диаметр, нм GZEnergy (Китай) Elicarb (Англия) BUCKYUSA (США) <2 10 – 30 <2 20 Длина, мкм 0, 5 – 50 1, 0 0, 8 – 1, 0 Цена 210 $ 3$ 200 $ 80 $ Solutions Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 30
Основные свойства нанотрубок Модуль упругости, ГПа 500 - 5000 Прочность при растяжении, ГПа Относительное удлинение, % 10 -6 Удельное электрическое сопротивление, Ом см 5*10 – 0, 8 Теплопроводность, Вт/(м K) 2 Удельная поверхность, м /г Размеры: - Диаметр, нм - Длина, мкм 10 - 500 3000 1000 1 – 150 1 - 500 Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 31
Оценка механических свойств нанотрубок Сравнение прочностей при растяжении и модулей упругости углеродных нанотрубок и других материалов Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 32
Применение нанотрубок Ø Новые Ø Ø Ø Ø сверхпрочные, высокомодульные материалы: сверхпрочные нити, композиционные материалы; Материалы с высокими тепло- и электропроводностью: композиты, нанопровода; Новые материалы с полупроводниковыми свойствами; Создание наноэлектронных устройств; Новые материалы и процессы, в которых используются капиллярные эффекты нанотрубок, их пористость: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки; Применение в оптике и оптических устройствах: дисплеи, светодиоды Материалы медицинского назначения: инкапсулированные лекарственные препараты, Биотехнологии: биосенсары Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 33
Свойства и потенциальные области применения нанотрубок Материалы Ожидаемые свойства Применение • Композит (полимер/НТ) • Прочность до 37 ГПА • Высокопрочные КМ Волокна и пленки • Волокна для электротехнических изделий • Полые волокна • Функциональные композиты • Пленки и волокна из НТ • Покрытия из НТ • Композит (углерод/НТ) • Жесткость до 640 ГПа • Высокофункциональный • Низкий вес (плотность текстиль • Высокоэнергоемкие аккумуляторы • Электроды для химических источников тока • Эктропроводящие покрытия • Теплоотводы и терморегуляторы = 1, 3 г/см 3) • Высока электрическая проводимость • Высокая теплопроводность (2000 В/м К) • Высокая удельная поверхность (1350 м 2/г) • Анизотропия оптических свойств Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 34
Тепло- и электропроводность различных материалов НВ – углеродные нановолокна; ВОПГ – высоко ориентированный пиролитический графит; П – углеродные волокна из пеков; ПАН – углеродные волокна из ПАН, где индекс – кратность вытяжки. Ориентировочные объемы производства УНТ в мире Некоторые компании-производители УНТ • Bayer Material Science AG (Germany), • Thomas Swan & Co. , Ltd. (UK) • Nanocyl SA (Belgium) • Mitsui & Co. , Ltd. (Japan) • Nanostructured & Amorphous Materials, Inc. (USA) Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 35
Зависимость электрического сопротивления КМ от количества введенного наполнителя Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 36
Сравнительные характеристики углеродных материалов Таблица 1 - Некоторые свойства углеродных материалов. ОСНТ МСНТ Нановолокна Углеродные волокна 1. Модуль Юнга, ГПа 1054 1250 400 -600 750 2. Прочность на растяжение, ГПа 126 150 2, 7 -5, 0 3, 5 -6 4, 5· 10 -32, 5· 10 -2 - 3. Удлинение при разрыве, % 15 23 0, 5 -1, 5 0, 5 -2, 5 - - Параметр Графит Алмаз 1050 2400 -2900 3000 1950 1000 8001260 3300 5∙ 10 -6 -8· 10 -1 2 -120 10 -3 -1, 8· 10 -4 3· 10 -3 -6· 10 -1 1, 4· 10 -3 1 -10 6. Плотность тока, А/см 2 109 103 - 107 - - 7. Плотность, г/см 3 1, 33 2, 6 1, 8 -2, 1 1, 4 -2, 0 1, 9 -2, 3 3, 5 4. Теплопроводность, Вт/м∙К 5. Сопротивление, Ом∙см Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 37
Сравнительные характеристики углеродных материалов Таблица 2 – Свойства некоторых углеродных материалов Фуллерены Нанотрубки/ нановолокна Пиролитически й графит Печная сажа Углеродные графитированн ые волокна Плотность, г/см 3 1, 65 1, 3 - 1, 6 2, 24 1, 86 - 2, 18 1, 8 - 1, 9 Удельная поверхность (по азоту), м 2/г 7 -8 300 - 1500 10 - 200 0, 5 - 1, 0 — 500 - 5000 0, 11 - 0, 13 — Допированны е металлами 10 -3 - 10 -1 5· 10 -6 - 8· 10 -1 10 -4 - 10 -3 3· 10 -1 1, 8· 10 -1 - 5· 10 -3 1, 4 1 - 30 / до 500 15 20 - 80 7 - 20 / ∞ Свойства Прочность растяжении, ГПа при Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*см Диаметр/ длина, нм — 3 -9 Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 38
Скачать презентацию Санкт-Петербургский Университет Технологии и Дизайна Кафедра наноструктурных волокнистых
Лекция А.А. Лысенко_завод_УМ_аллотропия.ppt