Даниленко Артем Александрович

Автореферат

В 1991 году, Сумио Иидзима, профессор японского университета Мэйдзё обнаружил длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Такая молекула с числом атомов углерода С>1 000 000, представляют собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правильных пятиугольников.

По своей прочности нанотрубки превосходят сталь в 50-100 раз, и имеют в шесть раз меньшую плотность. Модуль Юнга - характеристика сопротивления материала осевому растяжению и сжатию - у нанотрубок в среднем вдвое выше, чем у углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются!

Международная группа ученых показала, что, опираясь на эти необычные свойства, нанотрубки можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть втрое сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.

Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы.

Нанотрубки бывают самой разнообразной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств.

Спектр возможного применения нанотрубок очень широк.

Конструкционные материалы:

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза а пластичность – либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni3Al возрастает в 4 раза . Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

Инструментальные материалы:

Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектрико.

Производственные технологии:

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х107м-1) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов.

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Уже в ближайшем будущем могут появиться эмиссионные мониторы с плоским экраном, работающих на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

Другой пример - это использование нанотрубки в качестве иглы сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место.

С целью изучения влияния наноматериалов на свойства и структуру различных металлов и сплавов провели серию экспериментов в печи Таммана и в вакуумной печи сопротивления. Они заключались в подмешивании к латунной стружке и порошку железа разного количества наномтариалов. В качестве последних использовали углеродистые нанотрубки/нановолокна (УНТ/УНВ), производства Владимирского государственного университета (ВлГУ) (рис.1). На базе этого университета проводили исследования полученного материала на электронном микроскопе.

Рисунок 1 – Порошок УНТ/УНВ

Подготовленные смеси латунной стружки (ЛС-59) с разным процентным содержанием УНТ/УНВ (0,5-5%) нагревали в печи Таммана в интервале температур от 600°С до 1300°С, в среде аргона. Результаты исследования латунных образцов не показали влияния нанотрубок на структуру металла.

Порошок железа перемешивали с 1,2%, 3% и 5% УНТ/УНВ и выдерживали при температурах 700°С и 900°С, в течении 0,5-1,5 часа. Образцы спекались, но оставались достаточно хрупкими. Исследования на рентгеноструктурном микроскопе показали наличие в образцах водорода, кислорода и азота, привнесенных, видимо, техническим аргоном.

С целью исключения влияния кислорода, водорода и азота следующая серия экспериментов была проведена в вакуумной печи сопротивления. Смесь порошка железа с 4,5% УНТ прессовали в «таблетки» диаметром 30 мм и толщиной 15-20 мм. Образцы нагревали до температур 1100°С, 1150°С, 1200°С и выдерживали в течении 2 часов, после чего они остывали вместе с печью.

В результате, в образцах полученных при 1100°С обнаружено наличие частиц пластинчатого перлита (рис. 2). Из этого следует, что УНТ/УНВ растворились в железе за два часа и что скорость диффузии достаточно хорошая. Структура металла мелкозернистая, что не характерно для такой температуры.

Рисунок 2 – Микроструктура образца полученного при 1100°С на оптическом (а) и электронном микроскопе (б)

В настоящее время работы в данном направлении продолжаются, с целью установления повторяемости результатов.