СОЗДАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ

СОЗДАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ НА ПРИНЦИПЕ ПОДВИЖНОСТИ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ Плескачевский Ю. М. , Шилько С. В. Поликом-2007 + Белтриб-2007 16 -21 июля 2007, Гомель, Беларусь

Систематика материалов по основным признакам Функциональное развитие монофункциональ ный Активность пассивный Качество функционирования тривиальный материал активный полифункциональ ный Степень интеллекта Линия поведения • предсказуемый материал (пассивное разрушение) • неопределенный материал интеллектуальный (непредсказуемое бифуркационное разрушение) материал-изделие • материал-эгоист (заторможенное разрушение при самосохранении адаптивный функции) материал-устройство • материалприспособленец (заторможенное разрушение за счет умный материал-система адаптивной реакции) • материал-камикадзе (программируемое саморазрушение) мудрый (экофильный) материал-среда • материал-регенерат (восстановление за счет самоорганизации) • материал-кибер (заторможенное разрушение за счет обратной связи)

Новые идеи в материаловедении: фундаментальные основы Классические принципы материаловедения аддитивность + Характеристики объектов живой природы композитность синергизм самоорганизация структура-свойство ……. подвижные границы обратная связь ……. = Новые идеи

Характеристики объектов живой природы (по Д. Медоу) ь ь использование композитов; уровни структурной организации; мягкие, гибкие компоненты; самосборка, самоорганизация, самоумножение (репликация) на основе слабых связей; ь использование шаблона – матрицы для построения нового объекта; ь деление. + дополнительные характеристики, потенциально полезные для материаловедения (по Ю. Плескачевскому, С. Шилько) v подвижные межфазные границы; v переменные по объему характеристики (модуль упругости и т. д. ); v самозалечивание; v реверсивность; v регенерация; v резервирование функциональных блоков; v самодиагностика; v принцип обратной связи.

Новые идеи в материаловедении: развитие Подвижные межфазные границы Переменные по объему характеристики Принцип локального качества Активные материалы Адаптивные материалы Минкусы Принцип обратной связи Реверсивность свойств Самодиагностика, самоорганизация, самозалечевание, регенерация Ауксетики Метаматериалы Умные материалы + v Одиночные молекулы v Моноэлементные полимеры v Фуллеренсодержащие полимеры v Наноструктуры, наноизделия, наносистемы

Систематика материалов АДАПТИВНЫЙ& РЕВЕРСИВНО АКТИВНЫЙ & РЕВЕРСИВНО УМНЫЙ АДАПТИВНЫЙ ПАССИВНЫЙ АКТИВНЫЙ R RR 1 1 3 R 4 R 5 R 1 (сенсор) R 5 (актуатор) R 1 1 R R 2 R 1 R 3 R 1 R Функциональный аспект E 3 E Поведение t R 80% t R 90% R (процессор) t , 4 t R 70% t, tt, , R 2 E R 1 для ауксетика, метаматериала Кибернетический аспект R 3 сенсор процессор актуатор R 4 R 5 R 3 обратная связь R 1 t, R 5 R 1 t, R 2 d d. R 5 Активность внутрь себя + ко Активность по отношению Активность внутрь и вне себя + Пассивное разрушение по заторможенноесреде + пассивное внешней разрушение за счет существенно заторможенное Аррениусу, Журкову местного разрушение , …, самоупрочнения разрушение за счет обратной регенерации, подвижности связи межфазных границ

Активные полимерные материалы ФОРМА МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СОПРЯЖЕННЫЕ СРЕДЫ Ø блочные Ø пленочные Ø волокнистые Ø дисперсные системы Ø растворы СТРУКТУРА Ø функционализированные полиолефины Ø надмолекулярно образованные высокомолекулярные соединения Øкомпозиционные материалы Øрастворы СКИ И БИОХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ГЕНЕРИРУЮЩИЕ И ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ инициируют химические воздействия, ХИМИЧЕ с помощью которых диагностируют и влияют на химический состав и свойства сопряженных сред и объектов являются источником физических полей и излучений либо взаимодействуют с внешними полями и излучениями, существенно изменяя их параметры или преобразуя в другие виды воздействий БИОЛОГИЧЕС жат носителями клеток микро- и КИ АКТИВНЫЕ макроорганизмов и выступают как МАТЕРИАЛЫ источники биологических воздействий

Активные реверсивные материалы Пример: светорегулируемые аморфные и гребнеобразные мезокристаллические сополимеры, образующие нематическую холестерическую мезофазу со спиральной супрамолекулярной структурой Приложения: цветная обратимая и необратимая запись информации (оптика, голография, оптоэлектроника, фотоуправляемые реверсивные системы)

Активные реверсивные светоуправляемые жидкокристаллические полимеры Схематическое представление молекулярной структуры различных типов фотоадресуемых гребнеобразных сополимеров Схема, демонстрирующая реверсивное изменение формы фотохромных боковых групп в ходе процесса транс-цис-изомеризации, индуцированной воздействием света Принципиальные схемы записи (слева) и считывания оптической информации (справа) на планарно-ориентированной пленке фотохромного холестерического сополимера q Для способной к самомаскировке военной техники q Эффект мерцания или движения q Вариант стелс-технологии

АДАПТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Принцип локализации подвижных границ Гипотеза ь ь ь (E, f, s, P) E extr E, Научная идея Локализация (K(P)) A Подвижная граница K = K(E, f, s) Фактор внешнего воздействия Объемные свойства P E, f, s Границы ~ S Адаптивность A(Р) Поверхностные свойства УСЛОВИЯ ОСОБЕННОСТИ ЗАДАЧ переходный процесс трение, адгезия критерий min max принцип возм. перемещений уравнения состояния ( ) линейная упругость геометрия тел (фаз){Х} плоская деформация нагрузка N(t), T(t) сжатие, сдвиг

Движущая сила автолокализации межфазных границ q Упругое последействие q Мультимодульность q Реверсивность q Отрицательный коэффициент Пуассона q Нулевой и отрицательный КТР q …………. .

Принципы автолокализации межфазных границ Конфигурация межфазных границ оказывает существенное влияние на физико-механические характеристики материала Самоорганизация на микроуровне структуры обеспечивает автоматическую локализацию подвижных межфазных границ и определенные значения физикомеханических характеристик материала в точках бифуркации ********************** В условиях нелинейного поведения структурно-неоднородной среды форма межфазных границ зависит от внешнего воздействия Целесообразная реакция материала на внешнее воздействие обусловлена критерием оптимальности, который определяет разработчик путем задания параметров точек бифуркации Min! Max!

Вариационная формулировка Энергетические принципы: • возможных перемещений Вариационное σ δε d. V неравенство X δu d. V + т. X δu d. S = т т i ij V V ij S i Найти u V такое, что • возможных изменений напряженного состояния тδX i u i d. V + тδX i u i d. S , =SR S ( , p) Управление δ = V S • минимума полной энергии Э = 0 где Э = П А - полная энергия Задача -оптимизациисистемы R = т. Rd. V - дополнительная работа V 2 σ 0 σu + т ε dσ 2 K 0 i i 2 σ0 - удельная потенциальная энергия изменения объема 2 K

Примеры адаптивных систем (конструкций и материалов) с подвижными границами Фрикционное взаимодействие Сопряжение Скольжение (шлифование) Качение (зубчатые передачи) Процесс Межфазное взаимодействие Объект Мезоэлемент БИОСИСТЕМЫ Зубочелюстная МАТЕРИАЛЫ Пены Опорно-двигательная Перфорированные Гранулированные Сдвиг (соединения) Кровообращения

Авторегуляция артериального кровотока Регуляризация Модель процесса в терминах подвижных границ J 1 (d) = т [d * (x) - d (x)] 2 dx 20 1 L 3 4 J 3 (d) = α т[d' (x) ] dx 2 0 p 23 Т p 34 p 12 L p 45 J 2 (d) = 1 [ т. S(t) v (t) d t - Q ] 2 ε 5 1 2 σ 0 3 4 5 min d {J 1 (d) + J 2 (d) + J 3 (d)} аналог артериолыν 23 : ν 12 ν 34 х ν 45 двухслойная оболочка из физически нелинейного анизотропного материала Источники Критерий Регулируемый Управляющий с начальными напряжениями оптимальности параметр возмущения N=0 d ь состав крови, rz , r бъем кровотока о просвет (диаметр) тонус сосуда Е , Е z, E r , N>0 σ ь нагрузка, ь температура, ь деградация тканей L N > 0, > 0 сосуда d в норме Q d p 0 p, 100 200 мм рт. ст.

Адаптивный клапан сердца патент РФ № 2279865 (2006) Доклинический эксперимент Гемодинамические характеристики модифицированного протеза (частота пульсаций 100 уд/мин) Положение датчика Пиковая скорость м/с Пиковый градиент мм рт ст Средняя скорость м/с Средний градиент мм рт ст Время полуспад а мс Перпендикулярно потоку Ротабельный ИКС 2, 3± 0, 41 2, 3± 21, 2± 4, 6 21, 2± 1, 03± 0, 41 1, 03± 19, 3± 4, 3 19, 3± 224± 38, 7 224± 45 градусов Ротабельный ИКС 2, 19± 0, 49 2, 19± 19, 3± 5, 8 19, 3± 0, 94± 0, 24 0, 94± 19, 1± 3, 7 19, 1± 218± 24, 3 218± Параллельно потоку Ротабельный ИКС 2, 14± 047 2, 14± 18, 3± 4, 3 18, 3± 0, 9± 0, 41 0, 9± 18, 3± 2, 9 18, 3± 214± 18, 4 214± Перпендикулярно потоку Стандартный ИКС 2, 3± 0, 41 2, 3± 21, 2± 4, 6 21, 2± 1, 03± 0, 41 1, 03± 19, 3± 4, 3 19, 3± 224± 38, 7 224±

Проявления реверсивной адаптивности на уровне макромолекул РЕГУЛИРУЕМАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОНФОРМАЦИИ ПОЛИМЕРА 1 — растворенное вещество; 2 — полимер в развернутой конформации; 3 — полимер в компактной конформации

Автолокализация трещин Объемное разрушение Исходная конфигурация монослоя Микросферная аналогия Инициализация дефекта F Формирование зоны разрушения Автолокализация дефекта Востановление сплошности Восстановление исходной конфигурации монослоя F г F р г p

Адаптивные материалы: адаптация к разрушению «Обычный» материал Адаптивный материал Автолокализация трещин Линейные трещины k = 2; B-1 = Ветвление трещин = 4; l 0 = 1; 1 = 2, 5; 2 = 3; 3 = 3, 5; k = 2; B-1 = 4, 5; b 11 = b 22 = 4; b 12 = b 21 = 1 k = 0, 2; B-1 = = 5; 1 = 0; 2 = 2; 3 = 4 = 5 = 1; ij = 4; qij =0, 1 для всех i, j; b 11 = b 22 = 8; b 12 = b 21 = 2

Рост и самозалечивание трещин

Адаптивные строительные конструкции Схемы расположения дополнительных затяжек 1 3 Уравнения колебаний стержней рамы 2 1, 2, 3 - затяжки Зависимость частот колебаний рамы от площадей поперечного сечения затяжек 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 D, мм 30 12 б расширение диапазона и нерезонансной работы а расширение диапазона и нерезонансной работы 12 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 D, мм а) при наличии затяжек 1, 2; б) при наличии затяжек 1, 3 Применение адаптирующих затяжек позволяет обеспечить нерезонансную работу. 30

МУЛЬТИМОДУЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (МИНКУСЫ) «Мультимодульность (Multiple elasticities) – квантованное и/или непрерывное распределение значений модулей упругости

Тензочувствительные «минкусы» : адаптация к нагрузке «Обычный» материал Внешнее силовое воздействие «Минкус» по Дж. Беллу , ГПа 200 150 100 • железо, • цинк, • алюминий, • магний, • медь • латунь, • никель E = const Тензочувствительность + Квантованное распределение значений модуля упругости E=200, 9 ГПа E=113, 7 ГПа железо 50 0 0 0, 4 0, 8 e *10 -3 Фазы с различными модулями упругости E = var Динамически оптимальная структура

Адаптация минкуса к контактной нагрузке (действие прямоугольного штампа) исходное Кратность снижения концентрации напряжений и проскальзывания Напряженное состояние: Эффект адаптации промежуточное конечное 12 Эквивалентныеконтактные ) напряжения экв , Па Контактные давления р, Па Касательные (по Мизесунапряжения , Па Эквивалентные напряжения 10 8 6 Проскальзывание 4 2 0 Контактные давления Касательные контактные напряжения

Структурные уровни умного материала

Радиационные технологии, радиационномодифицированные материалы и изделия Разработка бортовых проводов с радиационномодифицированной изоляцией для авиационной техники, термоусаживаемых пленок, трубок и фасонных изделий из радиационносшитых полимеров Дозиметрический параметр Разработка технологий, оборудования и дозиметрического обеспечения радиационно-химических процессов, основанных на использовании промышленных ускорителей электронов ПОЛИМЕРНЫЕ ДОЗИМЕТРЫ ДПЭ - 50 / 2000 ДПЭ - 10 / 200 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 0 0 500 1000 1500 Поглощенная доза, к. Гр 2000

Активные и адаптивные материалы, эффективные при создании МЭМС Ш Ni. Ti cплавы, Ш пермаллой, Ш кварц, Ш окись цинка, Ш пьезокерамика, Ш полимерные гели, Ш материалы группы А 3 В 5, Ш материалы группы А 4 В 6, в которых реализуются: v явления: ь электростатические, ь электромеханические, ь пьезоэлектрические, ь магнитные; v эффект памяти формы, как элементы адаптивных систем: • сенсоры, • актуаторы, • механизмы передачи движения.

ИНВЕРТИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ауксетики: область поиска Возможность существования изотропных материалов с ν < 0 подтверждается известным соотношением теории упругости [1] ν = ( 3 K - 2 μ ) /( 6 K + 2 μ ) где , К – положительно определенные модули сдвига и объемной деформации. Выражение описывает допустимый интервал значений коэффициента Пуассона. Отрицательные значения ν соответствует условию > 3/2 К, когда модуль сдвига превышает модуль объемной деформации более, чем на 50%. Верхний предел соответствует несжимаемым материалам типа резины, сохраняющим свой объем при значительном изменении формы, нижний – материалам, сохраняющим геометрические пропорции, но изменяющим объем при деформации. Пороматериалы, демонстрирующие ν < 0, являются предметом активных исследований, (см. русскоязычный аналитический обзор [1]). Конечноэлементный анализ контактного деформирования ауксетичных материалов нами выполнен в предположении, что пороматериал является непрерывной средой, причем в процессе деформирования изменение структуры не учитывалось и, соответственно, коэффициент Пуассона считали постоянной величиной ν = const < 0. Была показана возможность реализации адаптивного режима трения в виде эффекта самостопорения ауксетичных материалов, что выражается в повышении несущей способности фрикционного соединения при увеличении сдвигающей нагрузки. 1. Конек Д. А. , Войцеховский К. В. , Плескачевский Ю. М. , Шилько С. В. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композ. матер. и констр. – 2004. – Т. 10, № 1. С. 35– 69.

Ауксетики К ауксетичным относятся материалы природного и искусственного происхождения, проявляющие отрицательный коэффициент Пуассона ν. В частности, при одноосном напряженном состоянии, ауксетики, в отличие от обычных материалов, расширяются/сужаются в направлении, перпендикулярном направлению растяжения/сжатия соответственно. Моды деформирования при растяжении: а – обычный пороматериал, б – ауксетичный пороматериал а б Источник: Конек Д. А. , Войцеховский К. В. , Плескачевский Ю. М. , Шилько С. В. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композ. матер. и констр. – 2004. – Т. 10, № 1. С. 35– 69.

Формирование ауксетичного пороматериала Представительный объем Мезофрагмент структуры Исходный материал Трехосное сжатие Нагрев Охлаждение Разгрузка Ауксетик

Ауксетики: эффект самостопорения • Высокая ударная вязкость • Высокая контактная жесткость Отрицательный коэффициент Пуассона • Эффект самостопорения Схема контакта Несущая способность соединения y T сцепление Sa 60 , к. Н/м f=0, 1 f=0, 2 40 скольжение Ss lim f=0, 3 f=0, 4 x E, n T(t) f=0, 5 20 v 0 dn 0 -0, 6 -0, 3 Отрицательные значения 0 0, 3 0, 6 Положительные значения

КЭ модель контактного сжатия пороматериала Моды деформации мезофрагмента с квадратными ячейками Перемещения Ux Перемещения Uy

КЭ модель контактного сжатия пороматериала Расчетные значения коэффициента Пуассона Уровень сжатия 1(верх) 1 Л -0, 0254 -0, 0247 -0, 0257 П 0, 0275 0, 0271 Л -0, 0691 П 7 1, 4 0, 0256 0, 0271 0, 026825 1, 4 -0, 0675 -0, 0677 -0, 0658 -0, 0675 2, 8 0, 0606 0, 0597 0, 0595 0, 0654 0, 0613 2, 8 Л -0, 248 -0, 243 -0, 250 -0, 2485 7, 0 0, 265 0, 251 0, 262 0, 26075 7, 0 Л 4, 461 2, 868 1, 453 -0, 252 2, 1325 14, 0 6, 090 4, 477 3, 052 1, 379 3, 7495 14, 0 Л -1, 641 -1, 634 -1, 615 -1, 633 -1, 63075 21, 0 1, 613 1, 619 1, 621 1, 61800 21, 0 Л -2, 677 -2, 678 -2, 667 -2, 6740 28, 0 2, 656 2, 677 2, 658 2, 6635 28, 0 Л -4, 976 -5, 291 -5, 37 -5, 123 -5, 1900 42, 0 П 6 -0, 02545 П 5 -0, 0260 П 4* 5, 129 5, 506 5, 43 5, 153 5, 3045 42, 0 * - потеря устойчивости упругого пороматериала 4(низ) v мкм П 3 3 uy, Среднее ux, мкм П 2 2 -0, 040 -0, 054 -0, 085 -0, 490 -0, 180 -0, 222 -0, 291 л – левый край , п – правый край

КЭ модель контактного сжатия пороматериала Зависимость коэффициента Пуассона ν от степени деформации Степень деформации обычный пороматериал ауксетик с ячейками вогнутой формы = 600 решение отсутствует ν

Материалы с нулевым и отрицательным КТР Мезоконструкции а – слоистая система; б – шахматная; в – матричная с дисковым наполнителем; г – пористая а в б г

Коэффициент термического расширения слоистой ауксетичной системы Зависимость термических перемещений от коэффициента термического расширения 3. 00 E-02 перемещение 2. 00 E-02 1. 00 E-02 -1. 50 E 04 -1. 00 E 04 0. 00 E+00 -5. 00 E 0. 00 E+0 -1. 00 E-02 0 05 5. 00 E-05 1. 00 E-04 -2. 00 E-02 -3. 00 E-02 коэффициент термического расширения 1. 50 E-04

Коэффициент термического расширения слоистой ауксетичной системы Суммарное перемещение слоев в зависимости от коэффициента термического расширения 2. 50 E-02 0. 00 E+00 2. 00 E-02 -1. 20 E- -1. 00 E- -8. 00 E- -6. 00 E- -4. 00 E- -2. 00 E- 0. 00 E+0 2. 00 E-5. 00 E-03 0 04 04 05 05 05 -1. 00 E-02 -1. 50 E-02 -2. 00 E-02 -2. 50 E-02 коэффициент термического расширения Отрицательная область сум перемещение 3. 00 E-02 5. 00 E-03 сум перемещение 1. 00 E-02 1. 50 E-02 1. 00 E-02 5. 00 E-03 0. 00 E+00 -2. 00 E- 0. 00 E+0 2. 00 E- 4. 00 E- 6. 00 E- 8. 00 E- 1. 20 E-5. 00 E-03 0 05 05 05 04 04 коэффициент термического расширения Положительная область

Метаматериалы В среде с отрицательным показателем преломления свет (и все другие виды электромагнитного излучения) ведет себя не так, как в обычных материалах с положительным преломлением, причем во многих отношениях это поведение противоречит интуиции. Среда с положительным показателем преломления Карандаш в воде кажется изогнутым из-за более высокого показателя преломления воды Когда свет переходит из среды с низким показателем преломления (n) в среду с более высоким, он отклоняется в сторону нормали (пунктирная линия под прямым углом к поверхности раздела) Удаляющийся объект кажется более красным из-за эффекта Доплера Заряженный объект (красный) , движущийся быстрее скорости света, создает конус Черенковского излучения (желтый), направленный вперед В среде с положительным показателем преломления отдельные максимумы электромагнитного импульса (фиолетовый) движутся в том же направлении, что и огибающая (зеленая) импульса и энергия (синяя) Среда с отрицательным показателем преломления Карандаш, погруженный в среду с отрицательным преломлением, будет казаться изогнутым наружу Когда свет идет из среды с положительным преломлением в среду с отрицательным, он отклоняется назад, оставаясь по ту же сторону нормали, что и падающий свет Удаляющийся объект кажется более синим Конус обращен назад Отдельные всплески движутся в сторону, противоположную движению огибающей импульса и энергии

Метаматериалы Опал – природный материал. Микроскопические шарики кристобаллита придают ему уникальные оптические свойства. Пятидюймовый «плащ-невидимка» , представленный учеными из университета Дьюка, совершенно непохож на плащ и невидим лишь для микроволн.

Метаматериалы Как это работает? 1. Покрывающий предмет метаматериал, представляющий собой гибрид проводника и диэлектрика, действует как ускоритель для попадающих внутрь него квантов света 2. Свет падает на оболочку из метаматериала. Но он не преломляется за пределы оболочки, а проходит внутри нее, огибая предмет вокруг. 3. Свет покидает оболочку в том же самом направлении, словно никакого предмета не было, так что скрытый предмет остается невидимым.

Метаматериалы Будет ли создан «плащ-невидимка» ?

Одиночные молекулы Новые горизонты химии и технологии (по А. Л. Бучаченко) На рубеже XX и XXI веков в химии и молекулярной физике произошел прорыв в экспериментальной технике обнаружения и распознавания одиночных молекул и в технологии манипулирования ими. 1. С детектированием одиночной молекулы достигается предел обнаружения в аналитической химии. 2. Удается установить индивидуальные, «личные» свойства единичной молекулы, не усредненные и не «спрятанные» в их ансамбле. 3. Появилась возможность наблюдать, как функционирует одиночная молекула. 4. Появившиеся технологии манипулирования одиночными молекулами (их перемещением и соединением, внедрением и объединением в заданные молекулярные ансамбли) позволяют создавать элементы наноэлектроники, наномеханики, нанооптики – т. е. , служат основой будущих высоких технологий в реальной экономике. Источник: Бучаченко А. Л. Новые горизонты химии: одиночные молекулы. Успехи химии, 2006, т. 75, № 1, с. 3– 26.

Моноэлементные полимеры (по А. Ю. Шаулову) Моноэлементные полимеры (1 – Е 1) – класс неорганических высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых состоят из ковалентно связанных между собой однотипных химических элементов, способных образовывать цепи различной структуры: ЛИНЕЙНЫЕ (1 D)-C 1 D Карбин Кумулены Sn Sen Ten (P 4)n Линейная изотропия, планарная и объемная анизотропия ПЛАНАРНЫЕ (2 D) – C 2 D – графит Pn (черный фосфор) Asn Sbn Bin Планарная изотропия, объемная (1) анизотропия ТРЕХМЕРНЫЕ (3 D) – C 3 D – алмаз Bn Sin Gen Объемная изотропия Источник: Шаулов А. Ю. Моноэлементные полимеры. Структура и свойства. ВМС, 5, 2006, т. 48, № 11, с. 2063– 2080.

Фуллеренсодержащие полимеры Структура полифуллеренов Структура фуллеренсодержащих полимеров Могут проявлять свойства органических ферромагнетиков, сверхпроводников, электродных материалов, нелинейные оптические и другие поведения для техники XXI века свойства. полимеры типа “браслет с подвесками” линейная орторомбическая звездообразные полимеры двумерная тетрагональная полимеры типа “жемчужное ожерелье” ромбоэдрическая

Структурные типы наноразмерных объектов и их геометрические параметры Русский термин Английский термин Описание* Нанотрубки Nanotubes Трубчатые структуры с внешним диаметром до 100 нм, L<1 мкм Нанопрутики Nanoroads Квазиодномерные цилиндрические структуры, D<100 нм, L<1 мкм Нанопроволока Nanowire То же, D<100 нм, L<1 мкм Нановолокна Nanofibers Нити, D≤ 50 нм, L>1 мкм Наночастицы Nanoparticles Компактные частицы, D<10 нм Нанопорошок Nanopowder То же, D<100 нм Наноразмерные кристаллиты Nanotods Кристаллиты размером до 100 нм Наноусы Nanowhiskers Структуры в виде игл длиной несколько мкм и толщиной в основании < 100 нм Наноленты Nanoribbons Структура в виде плоских лени толщиной до 100 нм и шириной больше толщины Наностолбики Nanocolumns Наноструктуры с D≤ 100 нм, L>D ≤ 100 Нанокабель Nanocable Структура с морфологией коаксиального кабеля, D≤ 100 нм ≤ 100 Наномосты Nanobridges Структуры с морфологией, подобной конструкциям мостов, длиной десятки мкм и диаметром отдельных «деталей» до 100 нм Наногвозди Nanonails Структура в виде гвоздей, D≤ 100 нм ≤ 100 Нанороторы 4(6)-Fold nanorotors 4(6)-Fold Наноструктуры в виде ротора с 4(6) лопастями, диаметр составляющих до 100 нм Тетраэдрическая Т-наноструктура Tetrapod nanostructure Наноструктура из четырех нанопрутиков (D≤ 100 нм) с общим центром D ≤ 100 Нанокомпозит Nanocomposite Материал из частиц различных веществ размерами до 100 нм

Нанопроволоки, формируемые в трековых мембранах 4. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Сu-РЕПЛИКИ 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ Сu В ПОРАХ МЕМБРАНЫ Сu-РЕПЛИКИ Сu Патент 7373 BY емкость с электролитом блок переполюсовки электролит металлический цилиндр 0, 2 мкм уплотнительное кольцо трековая мембрана Сu-фольга подложка (катод) корпус разряжение сборник электролита 2. ДЕСТРУКЦИЯ МЕМБРАНЫ ОБЛУЧЕНИЕМ НА ВОЗДУХЕ γ (0, 5 – 3 Гр/с) ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК Параметр Величина Диаметр проволоки, мкм 0, 014 – 5, 000 3. РАСТВОРЕНИЕ МЕМБРАНЫ В РАСТВОРИТЕЛЕ Длина проволоки, мкм Плотность, см-2 Модуль Юнга, Па Грант БРФФИ–РФФИ №Т 04 Р-066 5 – 40 100 - 108 2· 1010 - 12· 1010

Наноизделие Нанозапчасть Если приглядеться, это самая обычная коробка передач – только состоящая всего из нескольких сотен атомов. Такое устройство еще не создано, но его автор Эрик Дрекслер просчитал его на компьютерной модели и убедился, что оно может существовать и работать – если только каким-то образом соединить нужные атомы в нужном порядке.

Наносистема «Самая маленькая в мире повозка» с колесамифуллеренами, созданная в университете РАЙС (Нью-Йорк), способна перемещаться по поверхности кристалла за счет его собственной теплоты. В макромире это было бы нарушением второго закона термодинамики Фуллерен – полный жесткий многогранник из 60 атомов углерода. За открытие этой молекулы Ричард Смолли получил Нобелевскую премию 1996 года.

Заключение На рубеже XX – XXI веков в материаловедении наметились прорывные направления в создании новых и существенном развитии традиционных принципов формирования активных, адаптивных и умных материалов и систем. Основу подобных принципов составляют аналогии в функционировании и развитии природных и технических систем в сочетании с новейшими фундаментальными достижениями смежных наук – физики, химии, биологии, механики и дополненные возможностями компьютерного моделирования и микросистемной техники эксперимента. Именно здесь находится и в ближайшие десятилетия будет лежать «высокоурожайное поле» научного поиска материаловедов мира.

Благодарности Коллеги из ИММС НАН Беларуси Пинчук Л. С. Селькин В. П. Хиженок В. Ф. Петроковец Е. М. Гракович Р. И. Ходько Н. Т. Коллеги из других организаций Бучаченко А. Л. Макаева Т. А. Шаулов А. Ю. Литвиненко Е. В. Козловский Б. Куземкина Г. М. Шимановский А. О.

СПАСИБО ЗА АДАПТИВНОЕ ВНИМАНИЕ и мультимодульное терпение!

Основная проблема общественного производства Беларуси Конкурентоспособность продукции на мировом рынке Некоторые определяющие факторы современные энерго- и ресурсосберегающие технологии адекватная степень автоматизации процессов уровень использования новых материалов концепция жизненного цикла продукции реклама, маркетинг, сервис, авторские права, таможенная политика. . .

Сколько в мире материалов? За все исторически обозримое время до 1996 года материаловеды всего мира создали 17 млн. веществ. Затем каждый год добавляют по ~ 1 млн. , т. е. на конец 2006 года в мире известно ~ 27 млн. веществ искусственного и естественного происхождения. Систематизация и классификация веществ— основа их эффективного использования и прогноза принципов создания новых материалов, адекватных по свойствам текущим и перспективным тенденциям развития техники и технологий.

Место и роль материала в процессе создания новой техники (адаптивная схема) Задача, идея Конструкция Материал Технология ИЗДЕЛИЕ

Аналогии в направлениях развития природы и техники (по Д. Н. Решетову) Общие принципы совершенствования механических свойств в природе и технике • • Равнопрочность Рациональность форм сечений Равнодолговечность Композитность систем Многоконтактность Средства повышения надежности, долговечности и эффективности § Принципы местного качества § Резервирование § Уменьшение контактных напряжений § Создание напряжений сжатия § Обтекаемые формы § Волнообразные и шаговые перемещения § §

Полимерные композиты – материалы настоящего и будущего Полимерные композиты являются потенциальными носителями интеллектуальных свойств: они ь чувствительны к физическим полям, т. е. имеют сенсорную функцию; ь способны воспроизвести эффекторную и процессорную функции, и наконец, из всех материалов они ь наиболее близки к живой природе.

Область поиска • Мультимодульность поликристаллических тел. • «…Этому открытию, еще меньше десяти лет (1968), так что должно пройти немало времени, прежде чем будут постигнуты все его разветвления как в механике сплошных сред, так и в атомной механике» (Дж. Ф. Белл, 1968 г. ) • .

Мезомеханический анализ полимерных композитов Ячейка периодичности Модель Тип материала Пены Перфорированные Гранулированные Наполненные (частица, волокно) Кристаллиты Адаптивные композиты