Рис.184 Нульмерная (а), двумерная (б) и одномерная (в) дисперсная фаза.
23
К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной уголь – примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е. нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные продукты – коксовый газ (H2, CH4, CO и др.) и химические продукты, являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных препаратов, пластмасс и т.д.
15
Основные типы волокон, в частности, стеклянные и углеродные, имеют в основном круглое сечение ø 8-20 мкм, хотя в сечении может лежать также треугольник, ромб или другая фигура. Непрерывные волокна с сечением, отличным от круга, называют профильными. Они могут быть и также полыми, что способствует снижению плотности армированного композита.
По структуре же их классифицируют на четыре группы: непрерывные однонаправленные, тканевые, нетканые, объемного плетения. Придавая наполнителям различную структуру и фиксируя ее, помимо первичных крученых нитей, лент, можно получать разные виды усиливающих наполнителей: сетка, пленка, холст и другие.
Стекловолокно,Стеклопластики,Пресспорошки (прессмассы).
18
В зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на три категории. Нанокомпозиты на основе керамической матрицы улучшают оптические и электрические свойства первоначального материала (керамического соединения, состоящего из смеси оксидов, нитридов, силицидов и т.д.). В нанокомпозитах на основе металлической матрицы так называемым усиливающим материалом (нанокомпонентом) часто служат углеродные нанотрубки, повышающие прочность и электрическую проводимость. Наконец полимерные нанокомпозиты содержат полимерную матрицу с распределенными по ней наночастицами или нанонаполнителями, которые могут иметь сферическую, плоскую или волокнистую структуру.
Именно полимерные нанокомпозиты особенно востребованы в последнее время, потому было предложено много различных вариантов нанонаполнителей, усиливающих и изменяющих свойства полимеров. В качестве матрицы в этом виде нанокомпозитов применяют полипропилен, полистирол, полиамид или нейлон, а нанокомпонентами выступают частицы оксидов алюминия или титана, либо углеродные, а также кремниевые нанотрубки и волокна. Нанокомпозиты на основе полимеров отличаются от обычных полимерных композитных материалов меньшим весом и при этом большей ударопрочностью и износостойкостью, а также хорошим сопротивлением химическим воздействиям, что позволяет использовать их в военных и аэрокосмических разработках. Главное условие для создания полимерного нанокомпозита с необходимыми свойствами заключается в полной совместимости основного материала и добавляемых к нему наночастиц, однако не менее важно для конечного результата правильно распределить наночастицы на полимере. Потому производство нанокомпозитов представляет собой высокотехнологичную отрасль и требует проведения серьезных научных исследований в области нанотехнологий.
12
Космические аппараты будущего будут уже не просто машинами для перевозки живых существ, но живыми организмами. Они смогут обучаться, диагностировать и ремонтировать себя. Применение нанотехнологии в аэрокосмической технике способно также обеспечить: снижение энергопотребления в 104 раз, снижение вибрации и шума - в 102, повышение быстродействия - в 106, повышение КПД солнечных батарей - в 101, повышение чувствительности датчиков - в 106, повышение времени автономной работы - в 104 раз, повышение надежности - в 102, повышение стойкости к радиации - в 101, повышение стойкости к перегрузкам - в 102 раз.Внедрение нанотехнологий в автомобильную промышленность позволит сделать автомобили:Доступными (нанотехнологические методы производства позволяют создавать товары и услуги с низкой себестоимостью; в автомобилях будущего основной составляющей цены будет являться «брэнд»);комфортными (более совершенная работа механических частей, улучшенная шумо- и вибро- изоляция на основе наноструктурированных материалов, эргономичный салон);эффективными (повышения средней скорости движения автомобилей, повышение КПД использования энергии, необходимой для перевозки людей и грузов);интеллектуальными (широкое внедрение информационных систем во все узлы и компоненты автомобилей, принятие автомобилем все больших функций водителя на себя); безопасными для человека и окружающей среды (новые, экологически чистые силовые установки, в том числе на топливных элементах, качественно новый уровень пассивной и активной безопасности для обитателей салона и пешеходов, широкое использование в конструкции авто биодеградируемых материалов, а с созданием дисассемблеров - возможность 100% утилизации устаревших автомобилей).
11
представителем нового класса метастабильных быстроохлаждённых сплавов и активным соперником аморфных сплавов являются нанокристаллические сплавы. Их особенность – сверхмелкокристаллическая структура. Размер кристаллов (наночастицы) в этих сплавах составляет от 1 до 10 нм. Нанокристаллические и аморфные сплавы – ближайшие родственники. Их «родство» основано на двух обстоятельствах. Во – первых, это структурное сходство. Как известно, структура аморфных сплавов имеет ближний порядок, т. е. состоит из упорядоченных микрогруппировок атомов, размеры которых близки к размерам нанозёрен нанокристаллических сплавов. Во – вторых, это технология получения. В настоящее время наиболее распространённым методом получения наноструктуры является регулируемая кристаллизация из исходного аморфного состояния. Таким образом, «материнской» основой нанокристаллического сплава является сплав аморфный. Структура нанокристаллического сплава представляет собой двухфазную систему, одной из фаз которой являются нанокристаллы, а другой – остаточная аморфная матрица. Свойства наносплава зависят от состава, размера и количества нанокристаллов, а также их соотношения с аморфной фазой. Основой экономичного сырья являются кремний и железо. Имея высокую индукцию насыщения (1.2 Т), хорошую температурную стабильность в широком диапазоне температур от -60 до 180ºС, новый нанокристаллический материал имеет отличные характеристики в высокочастотной области на уровне аморфных сплавов на основе кобальта. При этом новый сплав является намного более экономичным. Точное управление параметрами отжига навитых из ленты тороидов позволяет в широких пределах регулировать требуемые свойства материала (например, форму петли гистерезиса, уровень магнитной проницаемости, коэффициент прямоугольности, удельные потери). Одновременно, хорошее качество по доступной цене становится все более весомым показателем конкурентоспособности нанокристаллического материала в сравнении с ферритами и пермаллоями.
Независимо от варианта применения, при использовании аморфных и нанокристаллических сердечников при проектировании индуктивных компонентов обычно обеспечиваются следующие преимущества:
· Уменьшенный вес
· Уменьшенные потери в меди благодаря сокращению числа витков
· Расширенный температурный диапазон от -60 до 125º С
· Повышенная стабильность свойств и надёжность
· Высокая точность для измерительных устройств
· Повышение КПД устройства
13.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к биосовместимым износостойким наноструктурным тонкопленочным материалам, используемым в качестве покрытий при изготовлении имплантатов, работающих под нагрузкой: ортопедические и стоматологические протезы, зубные коронки, имплантаты, используемые в челюстно-лицевой хирургии, искусственные сочленения, фиксаторы и др. Эти материалы должны обладать высокой твердостью, усталостной прочностью, износо- и коррозионной стойкостью, биосовместимостью и отсутствием токсичности. В изобретении достигается технический результат, заключающийся в создании многокомпонентного наноструктурного покрытия (МНП), обладающего высокой твердостью, низким модулем упругости, высокой прочностью сцепления с подложкой, низким коэффициентом трения и скоростью износа, высокой стойкостью к упругой деформации разрушения и пластической деформации, низкой шероховатостью поверхности, отрицательным зарядом поверхности в физиологических средах (4,5<рН<9), биоактивной поверхностью, биосовместимостью и отсутствием токсичности. Указанный технический результат достигается следующим образом. Биосовместимые многокомпонентные наноструктурные покрытия для имплантатов, работающие под нагрузкой, выполнены на основе карбонитрида титана с введением дополнительных элементов, улучшающих механические и трибологические свойства покрытия, а также обеспечивающих его биоактивность, биосовместимость и нетоксичность. Суммарные концентрации основных и дополнительных элементов в покрытии имеют следующее соотношение:
где Xi - суммарная концентрация основных элементов Ti, С, N в покрытии, Yj - суммарная концентрация дополнительных элементов Са, Zr, Si, К, Mn, О, Р в покрытии, при этом концентрацию элементов в покрытии выбирают при следующем соотношении компонентов, ат. %: Ti 30-50, С 15-40, N 0.5-30, О 5-25, Са 0-7, Zr 0-20, Si 0-30, Р 0-1.5, Mn 0-1.0, К 0-1.0. 1 табл.
МНП обладают одним или несколькими конкурентными преимуществами, необходимыми для материалов имплантатов, работающих под нагрузкой: высокой твердостью; низким модулем упругости; высокой адгезией; низким коэффициентом трения и скоростью износа; высокой стойкостью к упругой деформации разрушения и пластической деформации; низкой шероховатостью поверхности; отрицательным зарядом поверхности в физиологических средах (4,5<рН<9); биоактивной поверхностью; биосовместимостью и отсутствием токсичности.
1.
размерный эффект (англ. effect of particle (grain) size) — комплекс явлений, связанных с существенным изменением физико-химических свойств вещества вследствие: 1) непосредственного уменьшения размера частиц (зерен,кристаллитов); 2) вклада границ раздела в свойства системы; 3) соизмеримости размера частиц с физическими параметрами, имеющими размерность длины и определяющими свойства системы (размер магнитных доменов, длина свободного пробега электрона, дебройлевская длина волны, размер экситона вполупроводниках и т.д.). Под размерными эффектами в биологии понимают размерно-зависимое изменение биологических (физиологических и т. п.) свойств вещества.
Описание
Размерные эффекты наблюдаются при уменьшении размера структурных элементов: частиц, кристаллитов и зерен ниже некоторой пороговой величины. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются при размерах зерен менее 10 нм. Квантовые размерные эффекты проявляются в электронных свойствах вещества или материала и связаны с уменьшением размерности электронного газа, что приводит к изменению энергетического спектра (например, см. голубой сдвиг).
Влияние размера частиц на физико-химические свойства вещества можно объяснить наличием поверхностного давления, действующего на вещество. Это дополнительное давление, которое обратно пропорционально размеру частиц, приводит к увеличению энергии Гиббса и, как следствие, повышению давления насыщенных паров наднаночастицами, уменьшению температур кипения жидкой фазы и плавления твердой (рис.). Изменяются и другие термодинамические характеристики — константы равновесия и стандартные электродные потенциалы. Так, при уменьшении размера наночастиц серебра стандартный потенциал пары Ag+/Ag может стать отрицательным, и серебро будет растворяться в разбавленных кислотах с выделением водорода.
16.
Материалом основы композитов со слоистым строением являются пластмасса, металл или керамика. В качестве наполнителей применяются полимерные волокна, ленты из тканей, трикотажа и других материалов. Хорошо известные ламинаты изготовлены из смол, армированных полимерными волокнами или стеклотканью.
К этой же группе композитов относятся абляционные материалы для тепловой защиты ракет, изготовленные на базе фенолоформальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. В этих материалах часто используется стеклоткань, которая при многослойном нанесении обеспечивает высокие механические свойства изделий, например тонкостенных труб, втулок и др.
Встречаются композиты, в которых слоистым связующим являются алюминиевые, титановые, медные, никелевые и кобальтовые листы и фольга, а слоями, определяющими специальные свойства и применение, – керамика, интерметаллидные соединения или другие металлы.
Слоистые керамические композиты используют в экстремальных условиях. Компонентами этого типа композиционных материалов чаще всего являются керамика, углерод и металлы, например корунд, пиролитический графит, карбиды, оксиды, нитриды в композиции с алюминием, медью, титаном, никелем, кобальтом, танталом, железом. Такие материалы нашли применение в космических аппаратах для изготовления теплоизоляционных силикатных плиток из корунда, боросиликата, углеродных карборундовых ламинатов.
17. Наноматериал можно определить как материал, состоящий из наноразмерных элементов, либо содержащий нанометровые включения, от которых сильно зависят его свойства. К наноматериалам относятся различные по технологии изготовления и по функциональным признакам материалы, которые объединяет только размер их структурных элементов.
Рис.184 Нульмерная (а), двумерная (б) и одномерная (в) дисперсная фаза.
Нульмерные наноматериалы . К нульмерным дисперсным системам или наноматериалам (рис.184а) относятся нано- (ультрадисперсные) порошки и наночастицы размером 1-100нм.
Наночастицы.Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из малого количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов (см. рис. 185). Наночастицы, размер которых меньше 10 нм, называют нанокластерами. Обычно, в нанокластере содержится до 1000 атомов.
Рис. 185 Фотоизображение наночастиц серебра,
В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован как
ковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов.
Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму октаэдра, икосаэдра, тетрадекаэдра (рис.186).
Рис.186 Возможные формы металлических наночастиц
Рис. 187 Модель металлической наночастицы.
Наночастицы серебра активно используются в косметике, зубной пасте, дезинфицирующих средствах и т.д. Их уникальные свойства объясняются электрохимическим потенциалом поверхности (рис.187).
Агломерат (агрегат) – несколько частиц, соединенных в более крупные образования. Агломераты и агрегаты различают по наличию внутренней пористости. В агломератах присутствуют межчастичные пустоты, а в агрегатах – нет.
Кластеры инертных газов. Это самые простые наночастицы (нанообъекты). Атомы инертных газов (гелий, неон, аргон и др.) (рис.188) с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-Ваальса. При описании таких частиц с достаточно хорошей точностью применима модель твердых шаров. Энергия связи, т.е. энергия , затрачиваемая на отрыв отдельного атома от наночастицы, очень мала, поэтому эти частицы и существуют при очень низких температурах ( не выше 10-500К).
Рис. 188 Нанокластер из 16-и атомов аргона Рис.189 Модель ионной частицы NaCl.
Ионные кластеры. Ионные кластеры представляют собой классическую картину, характерную для иллюстрации ионной связи в кристаллической решетке NaCl (рис.189). Если ионная частица достаточно велика, то ее структура близка к структуре объемного материала.
Такие ионные соединения находят применение в создании фотопленок с высоким разрешением, различных областях микроэлектроники и электрооптики.
Фрактальные кластеры. Фрактальным является объект с разветвленной структурой. Таковыми являются сажа, коллоиды, азрозоли, аэрогели. Фрактал это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно визуально увидеть, как одна и та же структура повторяется на всех уровнях и в любом масштабе (рис.190).
