Даниленко Артем Олександрович

Автореферат

У 1991 році, Суміо Іїдзіма, професор японського університету Мейдзе виявив довгі, циліндрові вуглецеві утворення, що отримали назви нанотрубок. Така молекула з числом атомів вуглецю С>1 000 000, є одношаровою трубкою з діаметром близько нанометра і завдовжки в декілька десятків мікрон. На поверхні трубки атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників. Кінці трубки закриті за допомогою шести правильних п'ятикутників.

По своїй міцності нанотрубки перевершують сталь в 50-100 разів, і мають в шість разів меншу щільність. Модуль Юнга - характеристика опору матеріалу осьовому розтягуванню і стисненню - у нанотрубок в середньому удвічі вище, ніж у вуглецевих волокон. Тобто трубки не тільки міцні, але і гнучкі, нагадують по своїй поведінці не ломкі соломинки, а жорсткі гумові трубки. Під дією механічної напруги, що перевищує критичні, нанотрубки поводяться досить екстравагантно: вони не "рвуться" і не "ламаються", а попросту перебудовуються!

Міжнародна група учених показала, що, спираючись на ці незвичайні властивості, нанотрубки можна використовувати для створення штучних м'язів, які при однаковому об'ємі можуть бути втричі сильніше біологічних, не бояться високих температур, вакууму і багатьох хімічних реагентів.

Нанокабель від Землі до Місяця з одиночної трубки можна було б намотати на котушку розміром з макове зернятко. Невелика нитка діаметром 1 мм, що складається з нанотрубок, могла б витримати вантаж в 20 т, що в декілька сотень мільярдів разів більше її власної маси.

Нанотрубки бувають найрізноманітнішої форми: одношарові і багатошарові, прямі і спіральні. Крім того, вони демонструють цілий спектр найнесподіваніших електричних, магнітних, оптичних властивостей.

Спектр можливого застосування нанотрубок дуже широкий.

Конструкційні матеріали:

Наноструктурні об'ємні матеріали відрізняються великими міцністю при статичному і втомному вантаженні, а також твердістю в порівнянні з матеріалами із звичайною величиной зерна. Тому основний напрям їх використання в даний час – це використання як високоміцні і зносостійкі матеріали. Так межа текучості збільшується в порівнянні із звичайним станом в 2,5-3 рази а пластичність – або зменшується дуже трохи, або для Ni3Al зростає в 4 рази . Композити армовані вуглецевими нановолокнами і фуллеренами розглядаються як перспективні матеріали для роботи в умовах ударних динамічних дій, зокрема для броні і бронежилетів.

Інструментальні матеріали:

Інструментальні сплави з нанозерном є як правило стійкішими в порівнянні із звичайним структурним станом. Нанопороша металів з включеннями карбідів використовує як шліфуючий і поліруючий матеріал на кінцевих стадіях обробці напівпровідників і диэлектрико.

Виробничі технології:

Важливим і перспективним в даний час є використання наноматеріалів як компоненти композитів самого різного призначення. Додавання нанопорошків (подшихтовка) до звичайної пороші при виробництві сталей і сплавів методами порошкової металургії дозволяє знижувати пористість виробів, покращувати комплекс механічних властивостей. Прояв ефекту надпластичності в наноструктурних сплавах алюмінію і титану робить перспективним їх застосування для виготовлення деталей і виробів складної форми і для використання як сполучні шари для зварки різних матеріалів в твердому стані. Дуже велика питома поверхня нанопорошків (порядка 5х107м-1) сприяє їх застосуванню у ряді хімічних виробництв як каталізатори.

Розроблено вже і декілька застосувань нанотрубок в комп'ютерній індустрії. Вже в найближчому майбутньому можуть з'явитися емісійні монітори з плоским екраном, що працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випускатися електрони, які потрапляють на екран, що фосфоресціює, і викликають свічення пікселя. Зерно зображення, що виходить при цьому, буде фантастично малим: порядка мікрон!

Інший приклад - це використання нанотрубки як голка скануючого тунельного або атомного силового мікроскопа. Звичайне таке вістря є гостро заточеною вольфрамовою голкою, але по атомних мірках таке заточування все одно достатньо груба. Нанотрубка ж є ідеальною голкою діаметром порядка декілька атомів. Прикладаючи певну напругу, можна підхоплювати атоми і цілі молекули, що знаходяться на підкладці безпосередньо під голкою, і переносити їх з місця на місце.

З метою вивчення впливу наноматеріалів на властивості і структуру різних металів і сплавів провели серію експериментів в печі Таммана і у вакуумній печі опору. Вони полягали в підмішуванні до латунної стружки і порошку заліза різної кількості наномтариалов. Як останні використовували вуглецеві нанотрубки/нановолокна (ВНТ/ВНВ), виробництва Володимирського державного університету (ВЛГУ) (рис.1). На базі цього університету проводили дослідження отриманого матеріалу на електронному мікроскопі.

Рисунок 1 – Порошок ВНТ/ВНВ

Підготовлені суміші латунної стружки (ЛС-59) з різним процентним змістом ВНТ/ВНВ (0,5-5%) нагрівали в печі Таммана в інтервалі температур від 600°С до 1300°С, в середовищі аргону. Результати дослідження латунних зразків не показали впливи нанотрубок на структуру металу.

Порошок заліза перемішували з 1,2%, 3% і 5% ВНТ/ВНВ і витримували при температурах 700°С і 900°С, в течії 0,5-1,5 години. Зразки спекались, але залишалися достатньо крихкими. Дослідження на рентгеноструктурном мікроскопі показали наявність в зразках водню, кисню і азоту, привнесених, мабуть, технічним аргоном.

З метою виключення впливу кисню, водню і азоту наступна серія експериментів була проведена у вакуумній печі опору. Суміш порошку заліза з 4,5% УНТ пресували в «пігулки» діаметром 30 мм і завтовшки 15-20 мм. Зразки нагрівали до температур 1100°С, 1150°С, 1200°С і витримували в перебігу 2 годин, після чого вони остигали разом з піччю.

У результаті, У зразках отриманих при 1100°С виявлена наявність частинок пластинчастого перлиту (мал. 2). З цього виходить, що ВНТ/ВНВ розчинилися в залозі за дві години і що швидкість дифузії досить хороша. Структура металу дрібнозерниста, що не характерний для такої температури.

Рисунок 2 – Мікроструктура зразка отриманого при 1100°С на оптичному (а) і електронному мікроскопі (б)

У даний час роботи в даному напрямі продовжуються, з метою встановлення повторюваності результатів.