Сапожников С.Б. , Жеребцов Д.А

21.04.23 1

Конструкционные и функциональные наноматериалы, их характеризация и перспективы

Сапожников С.Б., Жеребцов Д.А.

Южно-Уральский государственный университетЮжно-Уральский государственный университет

21.04.2321.04.23 2

Содержание презентации:

1. Направления исследований2. Оборудование 3. Результаты 4. Перспективы

21.04.2321.04.23 3

Справка - Производство керамик из бимодальных смесей с наночастицами

(повышение прочности в 1,5...2 раза). Введение тугоплавких нанопорошков в сплавы алюминия Д1, Д16 и

АМг6 увеличивает прочность на 5-10%, пластичность на 10-30%, а в сплавы алюминия АЛ2, АЛ11 и АК7 увеличивает прочность на 3-20%, пластичность в 1,8-7,3 раза.

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%.

Созданы антимикробные материалы на основе нано-Ag и Al2O3. Созданы рентгенозащитные наноструктурированные материалы на

основе никелида титана, полученного интенсивной пластической деформацией.

Разработаны жидкие и пластичные смазки с добавками наночастиц углерода, меди, алмаза, корунда (ФОРСАН,ХАДО, АМС и др.)

Созданы наномембраны для газов, фильтры для бактерий и адсорбенты.

21.04.2321.04.23 4

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:космонавтика, авиа- и автомобилестроение (повышение прочности, пластичности, износостойкости материалов, новые топлива, новые источники и проводники тока и микросхемы);оборонные отрасли (повышение прочности и пластичности материалов, новые ВВ, повышение радиопрозрачности и фокусировки коротковолнового излучения); энергетика (водородная энергетика и сверхпроводимость);квантовая метрология (измерения на молекулярном уровне);сборка молекул (манипуляции с нанообъектами);нанобиология (нанороботы);нанотрубки и химия фуллеренов.

21.04.2321.04.23 5

2. Направления исследований в ЮУрГУ

1. Получение наночастиц и наноматериалов

2. Характеризация наноматериалов3. Математическое моделирование

нанообъектов, наноматериалов и нанотехнологий

4. Практическое использование наноматериалов

21.04.2321.04.23 6

3. Оборудование НОЦ

1. Производственное (мельницы, диспер-гатор, классификатор, гомогенизатор, детонационный комплекс, центрифуга, печи, перчаточный бокс и др.)

2. Аналитическое и испытательное (микроскопы: оптические, электронные – сканирующие, просвечивающие, атом-но-силовые), механические испытания, нанотвердометрия, наносклерометрия, ДТА, ДМА, вискозиметрия, ИК- и масс-спектроскопия и др.)

21.04.2321.04.23 7

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 SiO2;

разработка технологии выращивания монокристаллического нитрида галлия;

развитие матричных методов получения фотонных кристаллов;

разработка триботехнических наносуспензий и наноэмульсий;

производство наноалмазов и композитов на их основе...

1. Получение наночастиц и наноматериалов

21.04.2321.04.23 8

Измельчение до нанометров

прои

звод

ствен

ное о

боруд

ован

ие

Планетарная мельница Дезинтегратор ГомогенизаторАуд.02 ауд.04

21.04.2321.04.23 9

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

прои

звод

ствен

ное о

боруд

ован

ие

21.04.2321.04.23 10

Установка INSTRON 5882 (ауд.275)

Испытания на растяжение/сжатие/изгиб, контактные и бесконтактные тензометры, термокамера (20...3500С), вязкость разрушения, циклическое нагружение...

исп

ыта

тел

ьн

ое о

боруд

ован

ие

1. Получение наночастиц и наноматериалов

2. Характеризация наноматериалов3. Математическое моделирование наноматериалов и технологий 4. Практическое использование наноматериалов

Универсальная испытательная машина Instron 5880

Самозатягивающиеся захваты

Универсальная испытательная машина Instron 5880

Опоры для испытаний на изгиб

Термокамера

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.

21.04.2321.04.23 17

Термический анализ

ан

ал

ити

ческ

ое о

боруд

ован

ие

Совмещенный STA: дифференциальный термический анализ+масс/ИК-Фурье спектроскопия (NETZSCH) ауд.04

21.04.2321.04.23 18

Результаты ТГА+МС+ИКФурье

Наноматериал на основе гидролизованного тетрабутилтитаната

21.04.2321.04.23 19

Динамический механический анализ

Установка DMA 402 (NETZSCH) ауд.04

ан

ал

ити

ческ

ое о

боруд

ован

ие

21.04.2321.04.23 20

Динамический мех. анализ PVC пластифицированный (nanoSilicon Oil drops)

21.04.23

Технические данные DMA 242C Диапазон частот

Максимальная нагрузка

Диапазон амплитуд

Температурный диапазон

Скорости нагрева

Атмосфера образца

0.01-100 Гц

16 Н

7.5 – 240 мкм

-170…600 0С

0.01…20К/мин

статическая (воздух), динамическая (инертный газ)

Держатели образцов растяжение, сдвиг, сжатие, пенетрация, трехточечный изгиб, двухплечевой изгиб

21.04.23

Результаты испытаний Эпоксидная смола, наполненная наночастицами SiO2

Вид деформации: растяжение

Дин. сила: 0,8 Н

Скорость нагрева: 1К/мин

Объемная доля частиц 1%1 Гц

10 Гц

20 Гц

Объемная доля частиц 4%1 Гц

10 Гц

20 Гц

21.04.23

Результаты испытаний Эпоксидная смола, наполненная наночастицами SiO2

Добавление наночастиц оксида кремния SiO2 в эпоксидную смолу увеличивает модуль упругости полимера, изменяет температуру стеклования. При добавлении наночастиц оксида кремния SiO2 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 600С уменьшение модуля упругости начинается уже при объемной доле 3%.

21.04.23

Результаты испытаний Эластомер, наполненный наночастицами SiO2

Вид деформации: пенетрация

Дин. сила: 1 Н

Скорость нагрева: 1К/мин

При наполнении элас-томера наночастица-ми SiO2 в области отрицательных темпе-ратур максимальное значение тангенса угла механических потерь уменьшается

в 3 раза при V=21%

в 1,5 раза при V=14%

Температура пере-хода стеклования изменяется на 60С

Пик 18,50С, 1.43

Пик 17,60С, 1.16

Пик 18,80С, 0.94

Пик 24,50С, 0.5

Объемная доля частиц 0% 9% 14% 21%

21.04.2321.04.23 25

Склерометрия и индентирование

Нанотвердомер NanoScan (ауд.04)

Измерение на нанометровом уровне твердости, модуля упругости, склерометрия, измерение рельефа.

исп

ыта

тел

ьн

ое о

боруд

ован

ие

21.04.2321.04.23 26

Склерометрия (NanoScan)

Характеризация (методы)

21.04.2321.04.23 27

Кварцевое стекло, склерометрия (NanoScan)

Склерометрия

Глубина 70 нм, поле 10х20 мкм

21.04.2321.04.23 28

Атомно-силовой микроскоп

NT-MDT (Solver Pro) ауд.445

ан

ал

ити

ческ

ое о

боруд

ован

ие

21.04.2321.04.23 29

6. Характеризация (методы)

Определение размеров частиц: SEM, TEM, АFМ, LD, IA, IG (new)

Агломераты наноSiO2 Одиночные наночастицы

21.04.2321.04.23 30

SPM-сканирование

Одиночные наночастицы Au на стеклоуглероде Solver Pro 47

21.04.2321.04.23 31

AFM-сканирование БС резины

Образец № 4V=21%

Рельеф H=57 нм

ПлощадьS=2,89 мкм2

Полуконтактный режим сканирования

НанокластерыSiO2+оБСР

21.04.2321.04.23 32

Электронные микроскопы

ан

ал

ити

ческ

ое о

боруд

ован

ие

Сканирующий: SEM JEOL JSM 6460LV Просвечивающий: TEM JEOL JEM 2100Ауд.433 Ауд.03

21.04.2321.04.23 33

Сканирование (SEM)

Нанокерамика низкой плотности Al2O3

21.04.2321.04.23 34

Ротационные вискозиметры Brookfield (США) LVIII Ultra+, R/S plus (ауд.04)

ан

ал

ити

ческ

ое о

боруд

ован

ие

Исследования вязкости

21.04.2321.04.23 35

5. Наноматериалы Полимеры (реактопласты, эластомеры,

термопласты + наноSiO2/Al2O3/CNT) Нанопористый стеклоуглерод (чистый и

допированный Au, Ag, Co, Fe3C) Нанометаллы (сталь, алюминий, чугун и др.)

в наноструктурированном состоянии и с добавками наночастиц SiO2/Al2O3 )

Монокристаллический нитрид галлия Метаматериалы (фотонные кристаллы, …) Наноалмазы и др.

21.04.2321.04.23 36

Научные проблемы нанокомпозитов, математическое моделирование

Нарушение правила смеси для плотности НК

=∑¡v¡, ∑v¡ =1.

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 ...

21.04.2321.04.23 37

Упругие свойства нанополимеров

Относительный модуль упругости эластомера при температуре –200С для различной степени наполнения: 1– нанонаполнитель (эксперимент), 2 – нанонаполнитель (расчет, k=2,36), 3 – макронаполнитель (эксперимент, расчет, k=1)

Для температур -20…+60oC: k=2,2…2,6.

Аппроксимация макро

E/Em exp(3,0*V*k)

21.04.2321.04.23 38

Макромодель БСР+наноSiO2

эксперимент

расчет

21.04.2321.04.23 39

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.

21.04.2321.04.23 40

Наномодификация бронематериалов

Тканевые структуры с поверх-ностной обработкой суспен-зией наночастиц корунда в полимерной матрице – повы-шение сопротивления низко-скоростной пенетрации в 2 раза при утяжелении ткани менее 10%.

Допирование (<0,1%vol CNT) поликарбоната как прозрач-ной брони для СИБ с увеличе-нием вязкости разрушения на 25%.

Внешнее армирование сталь-ных бронепластин полимер-керамическими слоями.

21.04.2321.04.23 41

Измельчение зерна в отливкахВведение тугоплавких наночастиц в расплав:алюминия Д1, Д16 и АМг6 увеличивает прочность на 5-10%, пластичность на 10-30%; алюминия АЛ2, АЛ11 и АК7 увеличивает прочность на 3-20%, пластичность в 1,8-7,3 раза;

серого чугуна СЧ15 повышает прочность на растяжение на 20%, а высокохромис-того износостойкого чугуна увеличивает твердость с 57 до 63 HRC, износ снижа-ется на 49%.

Разбросы объясняются тем, что трудно хорошо диспергировать наночастицы в объеме расплава.

В 2008 г. сотрудниками НОЦ «МиНТ» ЮУрГУ эта проблема решена, получен патент РФ на «Спо-соб измельчения зерна металла», где предло-жен метод закрепления тугоплавких наночастиц на соответствующем металлическом порошке шаржированием в планетарной мельнице с по-следующим введением этого порошка в шихту при плавке.

21.04.2321.04.23 42

Измельчение зерна литой стали, повышение твердости

Исходная сталь Сталь модифицированная

21.04.23

Выращивание монокристаллического нитрида

галлия для белых светодиодов

21.04.23

Стеклоуглеродные наноматериалы для топливных ячеек, 25000х

21.04.23

Стеклоуглерод, 500000х

21.04.23

Стеклоуглерод (ТЕМ), WO2 (SЕМ)

21.04.23

Разработка золь-гель технологии легирования особо чистого кварцевого стекла

21.04.2321.04.23 48

7. Перспективы (фундаментальные исследования)

НОЦ «НТ» ЮУрГУ будет далее развиваться в напра-влении материаловедения с углубленным изучением физико-химии явлений, происходящих на уровне на-нометров, с целью построения адекватных математи-ческих моделей наноструктур, которые позволят интегрировать данные наноисследований в макро-скопические характеристики новых материалов для их успешного использования в конструкциях, решая вопросы ресурсо- и энергосбережения в промышлен-ности.Будет расширяться биомедицинское направление (ци-тология, иммунология, травматология), наноэлектро-ника, нанофотоника и др.

21.04.2321.04.23 49

Перспективы (прикладные R&D) 1

В НОЦ проводятся работы по внедрению технологий поверхностной и объемной обработки бронематериалов (тканевых, металлических и керамических) с исполь-зованием наночастиц корунда (заявка на пат.РФ).

Ведутся работы по созданию технологий производства наноалмазов, методов диспергирования наноалмазов для нового поколения смазочных материалов

Разработаны и внедряются композиции алюмосилика-тов с нанодобавками для производства цемента

Разработаны схемы создания пористых носителей наногидроксилапатита для ортопедии

Разрабатывается технология легирования кварцевого стекла наночастицами на стадии золя SiO2

Разрабатывается технология выращивания монокристаллического нитрида галлия

21.04.2321.04.23 50

•Разработка конструкционных клеев с добавлением наночастиц для повышения прочности и пластич-ности соединений•Создание полимерных нанокерамик для внешнего армирования стальных защитных пластин •Повышение поверхностной прочности отливок ме-тодом детонационного напыления микро- и нано-частиц•Разработка новых литейных наноструктурирован-ных алюминиевых сплавов •Создание стеклоуглеродных нанопористых матери-алов для топливных ячеек

Перспективы (прикладные R&D) 2

21.04.2321.04.23 51

Сотрудничество НОЦ(договора и гранты) 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» ЮУрГУ. 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 GaN, 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.

21.04.2321.04.23 52

6. Публикации, участие в «нано»конференциях

Красноярск 2003, 2008 (УДПиНМ) Кисловодск 2005, 2007 (ХТТиСМиНТ)

Ялта 2006 (СНТ-15) Riga 2004, 2006, 2008 (MCM-14) Stockholm 2008 (ECCM-13) Москва 2008 (РосНано) Edinburgh 2009 (ICCM-17) Jeju 2009 (ICSN-8) ...

21.04.2321.04.23 53

7. Кадровый состав НОЦ

Директор:Жеребцов Дмитрий Анатольевич, к.х.н.Заместитель директора:Дьячук Виталий ВладимировичИнженеры: Галимов Дамир Муратович Невьянцев Глеб ИгоревичШабурова Наталия Александровна, к.т.н.Грасс Татьяна Сергеевна Шилова Галина Анатольевна Форенталь Михаил Вольдемарович Винник Денис Александрович Пашнина Ольга Михайловна

21.04.2321.04.23 54

Спасибо за внимание!

Научный руководитель НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ Сапожников Сергей Борисович

ssb@susu.ac.ru Тел/факс 8(351)267-91-19

Директор НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ Жеребцов Дмитрий Анатольевич

zherebtsov_da@yahoo.com