Композиты
в
нанотехнологиях
Цели урока
Воспитывающая
Обучающая
Развивающая
Обучающая
Познакомить учащихся с
композициоными материалами
Изучить основные понятия, свойства,
виды.
Познакомить с перспективами
применения качественно новых
композиционных материалов в
современной электронной технике
Развивающая
Развитие профессиональной
лексики
Развитие логического мышления
Развитие умения анализировать и
обобщать
Воспитывающая
Развитие чувства патриотизма на
примере первого Российского
нанотехнолога, героя сказки Н. Лескова
«Левша», любви к Родине и гордости за
достижения в науке и технике.
Развитие личностного потенциала
учащихся.
Воспитание навыков самостоятельной
работы
«… Дерзайте, ныне вдохновенны,
Раченьем Вашим показать,
Что может собственных Платонов
И быстрых разумов Невтонов
Российская земля рождать…»
М. Ломоносов
Нанотехнологии – это скачок
от манипуляции веществом
к манипуляции отдельными
атомами.
В широко известном произведении русского писателя
Н. Лескова «Левша»
есть любопытный фрагмент:
Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп,
который в пять миллионов увеличивает, так вы
изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой
подковинке мастерово имя выставлено: какой русский
мастер ту подковку делал.
Для обеспечения увеличения в 5000000 раз созданы
современные электронные и атомносиловые микроскопы, считающиеся основными
инструментами нанотехнологий, таким образом,
литературного героя Левшу можно считать первым
в истории нанотехнологом.
С помощью туннельного микроскопа,
изобретенного в 1981 году компанией
IBM можно не только «видеть»
отдельные атомы, но поднимать и
перемещать их.
Появилась принципиальная возможность
манипулировать атомами, т.е.
собирать из них, словно из кирпичиков
любой предмет, любое вещество.
Нанотехнологии – это отрасль
молекулярной технологии,
ориентированная на получение
устройств, роботов, веществ с
наперед заданной молекулярной структурой, производя их
атом за атомом
Нанотехнологии - это комплекс методов работы
с объектами размером менее 100 нанометров при
этом 1 нанометр = 10 -9 метра
Нано
материалы
Наночастицы,
нанопорошки
-Это объекты у которых три
характеристических размера
в диапазоне до 100 нм
Нанотрубки,
Нановолокна
-Это объекты, у которых два
характеристических размера
в диапазоне до 100 нм
Нанопленки
-Это объекты, у которых один
характеристический размер
в диапазоне до 100 нм
Три направления развития нанотехнологий
Изготовление электронных
схем ( в том числе объемных )
с активными элементами, размерами
сравнимыми с размерами молекул
и атомов
Разработка и изготовление
наномашин, т. е. механизмов и
роботов размером с молекулу
Непосредственная
манипуляция
атомами и молекулами и
сборка из них всего
существующего
Головные организации отраслей по направлениям развития
нанотехнологий
Наноэлектроника
«НИИ физических
проблем
им Ф.В. Лукина»
Наноинженерия
«Московский
Государственный
техничский университет
электронной техники
Наноматериалы для
космической техники
« Исследовательский
Центр им. М.В. Келдыша»
Кострукционные
Материалы
ЦНИИ « Прометей»
и технологический институт
Сверхтвердых и новых
углеродных материалов
Наноматериалы
для энергетики
« Всероссийский
НИИ им Бочвара»
Нанобиотехнологии
« Курчатовский институт»
Российский научный центр
Композиционные
Материалы
«Всероссийский НИИ
авиационных материалов»
Нанотехнологии для
систем безопасности
« Центральный НИИ
химии и механики»
Характеристики композиционных
материалов
Композиты – это композиционные
материалы, представляющие собой
неоднородные системы, состоящие
из двух или более фаз – компонентов, каждый из которых сохраняет
свои свойства.
Нанокомпозиты – это материалы полученные
введением наночастиц в какие – либо матрицы
методом микролитографии, т. е. ионного или
молекулярного наслаивания
Для композитов характерно:
Состав и форма
определены заранее
Макроструктура
материала
однородна при
неоднородной
микроструктуре
Компоненты
присутствуют в
количествах, согласно
заданным свойствам
Различные
свойства
компонентов и
явная граница
раздела
Структура композитов
Композиционные материалы состоят из
матрицы и армирующего слоя.
Матрица- компонент обладающий непрерывностью по всему объему.
Материалы матрицы: - металлы, сплавы,
термореактивные и термопластичные полимеры,
керамика.
Второй слой - является армирующим(усиливающим)
Материалы второго (армирующего компонента)мелкодисперсные порошки или волокнистые
материалы различной природы
Материал матрицы
композиционных
материалов
металлы
сплавы
Термореактивные
термопластичные
полимеры
Керамика
Должны быть
близки
коэффициенты
объемного и
линейного
расширения
Требования к
материалам
матрицы и
армирующего
компонента
Не образовывать
химических
соединений или
твердых
растворов
Должны быть
взаимно
нейтральны
По виду армирующего материала
композиты делятся на две группы
Дисперсноупрочненные
Волокнистые
Дисперсно-упрочненные композиты
Технология получения - порошковая металлургия и состоит из 3-х
фаз
Матрица – алюминий, магний, титан, никель, вольфрам,
Армирующая фаза (второй слой) – карбиды, нитриды, бориды,
оксиды
1. Получение
порошковых
смесей
2. Прессование
порошков с
последующим
спеканием
3. Пластическая
деформация
полученной
массы с целью
повышения
плотности
Волокнистые композиты
С
полимерной
матрицей
Типы
волокнистых
композитов
С
Металличес
кой
матрицей
С
углеродной
матрицей
Технология получения - зависит от типа композита.
Типы
композитов
С полимерной
матрицей
Армирующий
компонент
пропитывают
связующим
полимером и
формуют при
повышенной
температуре под
давлением
С металлической
матрицей
1 стадия – получение
волокон с покрытием
матричным металлом
предварительно
пропитанных жгутов,
сеток и т.д.
2 стадия – соединяют с
помощью сварки,
горячего прессования
для образования полос,
лент, труб затем придают
необходимую форму и
размеры
С углеродной
матрицей
Углеродное волокно
пропитывают
матричным материалом
(углеродосодержащей
смолой) подвергают
карбонизации т.о.
осаждающийся
углерод, создавая
мостики между
волокнами, образует
матрицу. Для
упрочнения производят
графитизацию
Армирующие материалы – моноволокна, жгуты, ткани
Моноволокна – стеклянные, органические, углеродные, борные, из
карбида кремния, металлические, коротковолокнистая арматура
Требования к
армирующей фазе
Высокие значения
твердости
Высокая
химическая
устойчивость
Прочность
Нанотехнологии – это следующий логический
шаг развития электроники и других
наукоемких производств
Развитие современной электроники идет по пути
уменьшения размеров устройств и классические
методы производства подходят к своему
естественному экономическому и технологическому
барьеру, когда размер устройства уменьшается не
намного, зато экономические затраты возрастают
экспоненциально.
Наноэлектроника – это новая область науки и
техники, формирующаяся на основе достижений
физики твердого тела, квантовой электроники,
физической химии и технологии полупроводниковой
электроники.
Нанообъекты делятся на следующие
классы
Трехмерные частицы
получаемые взрывом
проводников, плазменным
Синтезом, восстановлением
тонких пленок и т. д.
Двухмерные объекты –
пленки, получаемые
методами молекулярного
наслаивания, методом
ионного наслаивания,
Одномерные объекты –
Вискеры, эти объекты
получаются методом
молекулярного наслаивания,
введением веществ в
циллиндрические
микропоры
Задачи нанотехнологии
Создание твердых тел и поверхностей (материалов и
пленок) с измененной молекулярной структурой, а
это сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы,
самовосстанавливающиеся материалы.
Создание новых химических веществ посредством
составления молекул (без химических реакций)
Создание сверхпроводников нового типа
( сверххолодных) для получения структур с
различной электропроводностью.
Создание прецизионных (точных)
наноманипуляторов – нанороботов-сборщиков
(ассемблеров).
Разработка новых принципов, а вместе с ними и
нового поколения сверхминиатюрных
супербыстродействующих систем обработки
Информационные системы
обеспечивают получение, обработку и
передачу информации.
Информационные системы - Это различные
датчики, преобразующие внешние воздействия
(звук, изображение в виде светового поля
различной локальной интенсивности, давление,
температура, химический состав среды и т. д.)
Перспективы наноэлектроники:
Микроэлектроника будет первой отраслью,
где «атомная сборка» будет осуществлена в
промышленных масштабах.
Компания AMD совместно с компанией IBM
применяют дополнительный изолирующий
слой SOI, препятствующий утечке тока за
счет дополнительной изоляции структур,
формирующих транзистор.
Компания ALTAIR Nanotechnologies (США)
объявила о создании инновационного
материала для электродов литий - ионных
аккумуляторов с временем зарядки 10-15
минут.
Электронный ключ реализующий два
устойчивых электрических состояния для
замыкания и размыкания электрической цепи.
