Южно-Уральский государственный университет Конструкционные и функциональные наноматериалы их

Южно-Уральский государственный университет Конструкционные и функциональные наноматериалы, их характеризация и перспективы Сапожников С. Б. , Жеребцов Д. А.

Содержание презентации: 1. 2. 3. 4. Направления исследований Оборудование Результаты Перспективы 3/17/2018 2

Справка o - Производство керамик из бимодальных смесей с наночастицами (повышение прочности в 1, 5. . . 2 раза). o Введение тугоплавких нанопорошков в сплавы алюминия Д 1, Д 16 и АМг 6 увеличивает прочность на 5 -10%, пластичность на 10 -30%, а в сплавы алюминия АЛ 2, АЛ 11 и АК 7 увеличивает прочность на 3 -20%, пластичность в 1, 8 -7, 3 раза. o 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%. o Созданы антимикробные материалы на основе нано-Ag и Al 2 O 3. o Созданы рентгенозащитные наноструктурированные материалы на основе никелида титана, полученного интенсивной пластической деформацией. o Разработаны жидкие и пластичные смазки с добавками наночастиц углерода, меди, алмаза, корунда (ФОРСАН, ХАДО, АМС и др. ) o Созданы наномембраны для газов, фильтры для бактерий и адсорбенты. 3/17/2018 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: oкосмонавтика, авиа- и автомобилестроение (повышение прочности, пластичности, износостойкости материалов, новые топлива, новые источники и проводники тока и микросхемы); oоборонные отрасли (повышение прочности и пластичности материалов, новые ВВ, повышение радиопрозрачности и фокусировки коротковолнового излучения); oэнергетика (водородная энергетика и сверхпроводимость); oквантовая метрология (измерения на молекулярном уровне); oсборка молекул (манипуляции с нанообъектами); oнанобиология (нанороботы); oнанотрубки и химия фуллеренов. 3/17/2018 4

2. Направления исследований в ЮУр. ГУ 1. Получение наночастиц и наноматериалов 2. Характеризация наноматериалов 3. Математическое моделирование нанообъектов, наноматериалов и нанотехнологий 4. Практическое использование наноматериалов 3/17/2018 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. ) 3/17/2018 6

1. Получение наночастиц и наноматериалов o o o o o 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 Si. O 2; разработка технологии выращивания монокристаллического нитрида галлия; развитие матричных методов получения фотонных кристаллов; разработка триботехнических наносуспензий и наноэмульсий; производство наноалмазов и композитов на их основе. . . 3/17/2018 7

производственное оборудование Измельчение до нанометров Планетарная мельница Дезинтегратор Гомогенизатор Ауд. 02 ауд. 04 3/17/2018 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 3/17/2018 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. . . 3500 С), вязкость разрушения, циклическое нагружение. . . 3/17/2018 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 3/17/2018 17

Результаты ТГА+МС+ИКФурье o Наноматериал на основе гидролизованного тетрабутилтитаната 3/17/2018 18

аналитическое оборудование Динамический механический анализ Установка DMA 402 (NETZSCH) ауд. 04 3/17/2018 19

Динамический мех. анализ o PVC пластифицированный (nano. Silicon Oil drops) 3/17/2018 20

Технические данные DMA 242 C Диапазон частот 0. 01 -100 Гц Максимальная нагрузка 16 Н Диапазон амплитуд 7. 5 – 240 мкм Температурный диапазон -170… 600 0 С Скорости нагрева 0. 01… 20 К/мин Атмосфера образца статическая (воздух), динамическая (инертный газ) Держатели образцов растяжение, сдвиг, сжатие, пенетрация, трехточечный изгиб, двухплечевой изгиб 3/17/2018

Результаты испытаний Эпоксидная смола, наполненная наночастицами Si. O 2 Вид деформации: растяжение Дин. сила: 0, 8 Н Скорость нагрева: 1 К/мин Объемная доля частиц 1% Объемная доля частиц 4% 1 Гц 10 Гц 20 Гц 3/17/2018

Результаты испытаний Эпоксидная смола, наполненная наночастицами Si. O 2 Добавление наночастиц оксида кремния Si. O 2 в эпоксидную смолу увеличивает модуль упругости полимера, изменяет температуру стеклования. При добавлении наночастиц оксида кремния Si. O 2 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 600 С уменьшение модуля упругости начинается уже при объемной доле 3%. 3/17/2018

Результаты испытаний Эластомер, наполненный наночастицами Si. O 2 Пик 18, 50 С, 1. 43 Вид деформации: пенетрация Пик 18, 80 С, 0. 94 Пик 17, 60 С, 1. 16 Дин. сила: 1 Н Скорость нагрева: 1 К/мин При наполнении эластомера наночастицами Si. O 2 в области отрицательных температур максимальное значение тангенса угла механических потерь уменьшается в 3 раза при V=21% в 1, 5 раза при V=14% Пик 24, 50 С, 0. 5 Температура перехода стеклования изменяется на 60 С Объемная доля частиц 3/17/2018 0% 9% 14% 21%

испытательное оборудование Склерометрия и индентирование Нанотвердомер Nano. Scan (ауд. 04) Измерение на нанометровом уровне твердости, модуля упругости, склерометрия, измерение рельефа. 3/17/2018 25

Характеризация (методы) o Склерометрия (Nano. Scan) 3/17/2018 26

Склерометрия o Кварцевое стекло, склерометрия (Nano. Scan) Глубина 70 нм, поле 10 х20 мкм 3/17/2018 27

аналитическое оборудование Атомно-силовой микроскоп NT-MDT (Solver Pro) ауд. 445 3/17/2018 28

6. Характеризация (методы) o Определение размеров частиц: SEM, TEM, АFМ, LD, IA, IG (new) Агломераты нано. Si. O 2 Одиночные наночастицы 3/17/2018 29

SPM-сканирование Одиночные наночастицы Au на стеклоуглероде Solver Pro 47 3/17/2018 30

AFM-сканирование БС резины Образец № 4 V=21% Рельеф H=57 нм Площадь S=2, 89 мкм 2 Полуконтактный режим сканирования Нанокластеры Si. O 2+о. БСР 3/17/2018 31

аналитическое оборудование Электронные микроскопы Сканирующий: SEM JEOL JSM 6460 LV Просвечивающий: TEM JEOL JEM 2100 Ауд. 433 Ауд. 03 3/17/2018 32

Сканирование (SEM) Нанокерамика низкой плотности Al 2 O 3 3/17/2018 33

аналитическое оборудование Исследования вязкости Ротационные вискозиметры Brookfield (США) LVIII Ultra+, R/S plus (ауд. 04) 3/17/2018 34

5. Наноматериалы o Полимеры (реактопласты, эластомеры, термопласты + нано. Si. O 2/Al 2 O 3/CNT) o Нанопористый стеклоуглерод (чистый и допированный Au, Ag, Co, Fe 3 C) o Нанометаллы (сталь, алюминий, чугун и др. ) в наноструктурированном состоянии и с добавками наночастиц Si. O 2/Al 2 O 3 ) o Монокристаллический нитрид галлия o Метаматериалы (фотонные кристаллы, …) o Наноалмазы и др. 3/17/2018 35

Научные проблемы нанокомпозитов, математическое моделирование o Нарушение правила смеси для плотности НК o 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. . . o o o o o =∑ ¡v¡, ∑v¡ =1. 3/17/2018 36

Упругие свойства нанополимеров Аппроксимация макро E/Em exp(3, 0*V*k) Относительный модуль упругости эластомера при температуре – 200 С для различной степени наполнения: 1– нанонаполнитель (эксперимент), 2 – нанонаполнитель (расчет, k=2, 36), 3 – макронаполнитель (эксперимент, расчет, k=1) Для температур -20…+60 o. C: k=2, 2… 2, 6. 3/17/2018 37

Макромодель БСР+нано. Si. O 2 эксперимент расчет 3/17/2018 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. 3/17/2018 39

Наномодификация бронематериалов o o o 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. 3/17/2018 40

Измельчение зерна в отливках o. Введение тугоплавких наночастиц в расплав: алюминия Д 1, Д 16 и АМг 6 увеличивает прочность на 5 -10%, пластичность на 1030%; алюминия АЛ 2, АЛ 11 и АК 7 увеличивает прочность на 3 -20%, пластичность в 1, 87, 3 раза; серого чугуна СЧ 15 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 «Ми. НТ» ЮУр. ГУ 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. 3/17/2018 41

Измельчение зерна литой стали, повышение твердости Исходная сталь Сталь модифицированная 3/17/2018 42

Выращивание монокристаллического нитрида галлия для белых светодиодов 3/17/2018

Стеклоуглеродные наноматериалы для топливных ячеек, 25000 х 3/17/2018

Стеклоуглерод, 500000 х 3/17/2018

Стеклоуглерод (ТЕМ), WO 2 (SЕМ) 3/17/2018

Разработка золь-гель технологии легирования особо чистого кварцевого стекла 3/17/2018

7. Перспективы (фундаментальные исследования) НОЦ «НТ» ЮУр. ГУ 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. 3/17/2018 48

Перспективы (прикладные R&D) 1 o В НОЦ проводятся работы по внедрению технологий поверхностной и объемной обработки бронематериалов (тканевых, металлических и керамических) с использованием наночастиц корунда (заявка на пат. РФ). o Ведутся работы по созданию технологий производства наноалмазов, методов диспергирования наноалмазов для нового поколения смазочных материалов o Разработаны и внедряются композиции алюмосиликатов с нанодобавками для производства цемента o Разработаны схемы создания пористых носителей наногидроксилапатита для ортопедии o Разрабатывается технология легирования кварцевого стекла наночастицами на стадии золя Si. O 2 o Разрабатывается технология выращивания монокристаллического нитрида галлия 3/17/2018 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 3/17/2018 50

Сотрудничество НОЦ (договора и гранты) o o o o 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» ЮУр. ГУ. 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 Ga. N, 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. 3/17/2018 51

6. Публикации, участие в «нано» конференциях o o o o Красноярск 2003, 2008 (УДПи. НМ) Кисловодск 2005, 2007 (ХТТи. СМи. НТ) Ялта 2006 (СНТ-15) Riga 2004, 2006, 2008 (MCM-14) Stockholm 2008 (ECCM-13) Москва 2008 (Рос. Нано) Edinburgh 2009 (ICCM-17) Jeju 2009 (ICSN-8). . . 3/17/2018 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 3/17/2018 53

Спасибо за внимание! Научный руководитель НОЦ «Нанотехнологии» ЮУр. ГУ Сапожников Сергей Борисович ssb@susu. ac. ru Тел/факс 8(351)267 -91 -19 Директор НОЦ «Нанотехнологии» ЮУр. ГУ Жеребцов Дмитрий Анатольевич zherebtsov_da@yahoo. com 3/17/2018 54