Г.М.ВОЛКОВ

Объемные

нанОматериалы

Допущено УМО вузов РФ по образованию

в области транспортных машин

и транспортно-технологических комплексов

в качестве учебного пособия для студентов,

обучающихся по специальности

«Автомобиле- и тракторостроение»

УДК 539.2(075.8)

ББК 22.36/37я73

В 67

Рецензент:

Б. Б. Бобович, проф. кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Московского государственного индустриального университета (МГИУ), д-р техн. наук, проф.

Волков Г. М.

В 67 Объемные наноматериалы : учебное пособие / Г. М. Волков. — М. :

КНОРУС, 2011. — 168 с.

ISBN 978-5-406-00866-9 Приведены основные сведения по наноматериаловедению, введено понятие о критическом диаметре наночастиц, представлена методика, а также расчетные и экспериментальные результаты определения верхнего предела наноразмерного интервала дисперсных частиц вещества, теоретически обоснована и практически реализована принципиальная возможность моностадийной технологии объемных наноматериалов, приведены технические данные для выбора основных направлений практического использования достижений наноматериаловедения применительно к будущей специальности студента.

Для  студентов  высших  технических  учебных  заведений,  обучающихся  по  циклу  специальностей 190000 «Транспортные средства». Может быть полезно всем студентам  высших  технических  учебных  заведений,  а  также  инженерно-техническим  работникам, независимо от их будущей или уже приобретенной специальности, в качестве вводного курса в научно-техническое направление «Наноматериалы».

УДК 539.2(075.8) ББК 22.36/37я Волков Георгий Михайлович

ОБЪЕМНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Изд. № 2620. Подписано в печать 19.08.2010. Формат 6090/16.

Гарнитура «NewtonC». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 10,5. Уч.-изд. л. 7,27. Тираж 2000 экз. Заказ № ООО «КноРус».

129085, Москва, проспект Мира, д. 105, стр. 1.

Тел.: (495) 680-7254, 680-0671, 680-1278.

E-mail: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного издательством электронного оригинал-макета в ГУП «Брянское областное полиграфическое объединение».

241019, г. Брянск, пр-т Ст. Димитрова, 40.

© Волков Г. М., ISBN 978-5-406-00866-9 © ООО «КноРус», Оглавление Предисловие..................................... Введение........................................ Глава 1. Основы нанотехнологии......................... 1.1. Влияние дисперсности на свойства вещества............. 1.2. Физико-химические основы наноэффекта............... 1.3. Критический диаметр наночастиц.................... 1.4. Целевые продукты нанотехнологии................... Глава 2. Наночастицы................................ 2.1. Наночастицы семейства фуллеренов.................. 2.2. Техническое применение наноразмерных частиц........... Глава 3. Объемные материалы традиционной технологии......... 3.1. Критерии оценки конструкционных свойств............. 3.2. Сырьевые ресурсы............................. 3.3. Технический потенциал.......................... 3.4. Перспективы нанотехнологии...................... Глава 4. Объемный наноматериал........................ 4.1. Моностадийное формирование объемного наноматериала..... 4.2. Машиностроительный потенциал.................... 4.3. Биоинженерный потенциал....................... Глава 5. Объемный материал с добавкой наночастиц........... 5.1. Основы конструирования........................ 5.2. Механика нанокомпозитов....................... 5.3. Матрица объемных нанокомпозитов................. 5.4. Контактное взаимодействие компонентов.............. 5.5. Техническое применение........................ Глава 6. Объемный наноструктурированный металл........... 6.1. Основы фрагментирования структуры металлов........... 6.2. Наноструктурированные металлы................... 6.3. Порошковые наноматериалы...................... Рекомендуемая литература........................... Приложение..................................... Глоссарий...................................... ПредислОвие Материаловедение входит в число основных дисциплин, формирующих инженерное образование. Поэтому в настоящее время признано необходимым изучение основ материаловедения всеми студентами технических высших учебных заведений, включая студентов тех направлений и специальностей, для которых материаловедение не является профилирующей дисциплиной.

В обязательный перечень предметов для подготовки инженеров, специализирующихся в области металлургии, и инженеров машино- и приборостроительного профиля издавна входил предмет «Металловедение». Расширение технического применения полимеров и других неметаллических материалов привело к соответствующему изменению содержания и самого названия учебной дисциплины:

она стала называться «Материаловедение». Существующие учебники по материаловедению ориентированы преимущественно на металловедов, частично на материаловедов и будущих машиностроителей.

Как показывает наша многолетняя практика, обучение студентов, не специализирующихся в области металло- или материаловедения, по известным учебникам связано с определенными трудностями. Они слабо подготовлены к познанию многих сложных понятий, представленных в современных учебниках по материаловедению. Особенно это относится к студентам заочной формы обучения.

Между тем развитие техники предъявляет новые повышенные требования к материалам. Для создания современных материалов, работоспособных в экстремальных условиях эксплуатации новой техники, материаловедение использует все более сложные для восприятия неподготовленным студентом достижения фундаментальных наук.

С другой стороны, развитие материаловедения оказывает влияние практически на все сферы производственной деятельности. Разрешение отмеченного противоречия педагогическая наука видит в создании учебных пособий по практической проработке последних достижений современного материаловедения.

В конце ХХ в. в мировом сообществе произошел резкий всплеск интереса к вопросам нанотехнологии.

Приставка «нано» переводится как «карлик», один нанометр равен 110–9 м. К наноразмерным принято относить дисперсные частицы вещества или дискретные элементы структуры материала, если их геометрические размеры хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм.

Нанотехнологией называют науку, которая изучает процессы получения и технического применения наноразмерного вещества.

В большинстве промышленно развитых стран приняты программы государственной поддержки работ в данном направлении. Объективным отражением отклика мирового сообщества на государственное внимание может служить количество публикаций по данной тематике и востребованность научных разработок промышленностью.

По вопросам нанотехнологии ежедневно выходит около 200 статей, проходит одно международное мероприятие (конференция, симпозиум, семинар, научная школа) и выходит из печати одна монография или сборник статей.

Общественное и государственное внимание к нанотехнологии вызвано выдающимися свойствами вещества в наномерном интервале его размеров. Теория нанотехнологии и практика ее реализации в сфере материального производства прогнозируют фундаментальную перестройку существующей технологии машиностроения, изготовления промышленных изделий и лекарственных препаратов, функционирования систем энергоснабжения, охраны окружающей среды, транспорта, связи, вычислительной техники и практически всех других отраслей промышленного производства на принципах нанотехнологии с использованием наноматериалов.

В подтверждение реальности таких прогнозов необходимо отметить, что за последние 50 лет научно-технические разработки повлияли на социальную жизнь значительно сильнее, чем за предыдущие пять тысячелетий. Это телевидение, электроника, компьютер, мобильная связь и т.п. Подчеркнем также, что все новейшие научнотехнические достижения не могли бы состояться без предварительного создания научных основ и технологических принципов производства современных материалов, удовлетворяющих требованиям новой техники. Не менее впечатляющее влияние на темпы развития мирового сообщества окажет реализация во всех сферах производственной деятельности человека потенциальных возможностей нанотехнологии и созданных на ее основе наноматериалов.

Ускоренное развитие нанопромышленности потребует коренного изменения в системе технического образования. Следующими поколениями будут востребованы знания по различным областям наноматериалов и нанотехнологии, что потребует пересмотра образовательных программ по многим научным и инженерным специальностям. Эти преобразования диктуются грядущей фундаментальной перестройкой существующей технологии производства.

•Предисловие В последнее десятилетие в мировом научно-техническом сообществе резко возрос интерес к инженерным достижениям нанотехнологии.

Следует отметить, что интерес проявляет не только научный мир, но и предприниматели. Если ученых интересуют научные результаты исследований, то предпринимателей волнуют преимущественно практические следствия научных работ и потенциальные возможности создания высокоэффективного производства нанопродукции, потребительские свойства которой будут активно востребованы платежеспособным рынком.

Однако такая ситуация складывается только в зарубежных странах.

В России интерес к развитию нанотехнологии декларирует только государство, завидную творческую активность проявляют ученые, но отечественная промышленность не созрела для понимания производственного потенциала нанотехнологии. Поэтому любые достижения отечественной нанотехнологии при существующей стратегии развития работ в данной области не будут востребованы отечественной промышленностью и декларируемые правительством цели не будут достигнуты. В лучшем случае российские разработки уйдут за рубеж и вернутся к нам в иностранной красивой обертке, а в худшем — не будут востребованы никем и останутся пылиться в виде отчетов на самой дальней полке, так как в зарубежных странах тоже есть разработчики нанотехнологий, которым также нужен выход в промышленность, и поэтому они не заинтересованы в поощрении выхода российских конкурентов на зарубежные рынки сбыта нанопродукции.

Для коренного изменения ситуации необходима просветительская работа по ликвидации нанотехнологической безграмотности общества. Такая работа крайне необходима и ее нужно разграничить по целевой аудитории: школьное образование, вузовское образование, обучение технической интеллигенции.

Дидактические материалы по школьному образованию разрабатывает Ульяновский технический университет, который получил грант на развитие исследований в данном направлении, что дает возможность развернуть широкий фронт работ.

По вузовскому образованию положение двоякое. С одной стороны, открыта подготовка студентов по специальности «Наноматериалы»

в ряде ведущих университетов страны, для этого выделено соответствующее финансирование. Однако при этом забывается, что по названным ранее причинам подготовленные по данному направлению специалисты могут не найти применения в отечественной промышленности. С другой стороны, будущая техническая интеллигенция страны, т.е. студенты технических вузов других, не нанотехнологических специальностей, практически полностью лишены знаний в этой междисциплинарной области науки и техники. Между тем в условиях прогнозируемой перестройки основных принципов материального производства на принципах нанотехнологии каждый выпускник любого высшего учебного заведения технического профиля независимо от выбранной специальности обязан представлять теоретические основы и потенциальные возможности нанотехнологии в грядущих преобразованиях условий жизни и трудовой деятельности каждого члена общества.

Не менее важно довести информацию об основных достижениях и перспективах нанотехнологического преобразования промышленных процессов до действующей руководящей элиты и линейного персонала отечественной индустрии. В ряде вузов уже начаты работы по организации чтения вводных лекций по нанотехнологии для инженерно-технических работников отдельных предприятий. Однако любая научно-просветительская деятельность требует предварительного создания соответствующей учебной литературы.

Принципиально важным условием создания учебной литературы по нанотехнологии применительно к получению ее конечного целевого продукта — наноматериала — считается наличие у авторов практического опыта успешной работы в данном направлении. Автор предлагаемого учебного пособия таким опытом обладает: его первый доклад на научной конференции, первая публикация и первое авторское свидетельство на изобретение в области наноматериаловедения имеют приоритет от 1958 г., т.е. задолго до признания мировым научным сообществом приставки «нано» (1974 г.).

В учебном пособии представлен дидактический материал для организации практических занятий по изучению нанотехнологии и создаваемых на ее основе принципиально новых материалов конструкционного и функционального назначения.

В соответствии с поставленной задачей пособие адаптировано к восприятию студентами с преобладанием гуманитарной составляющей интеллектуальных способностей. Автор стремился изложить предмет таким образом, чтобы он мог быть успешно усвоен и студентами со знанием базовых курсов физики и химии на уровне программы средней школы. Для лучшего усвоения и закрепления основных теоретических положений лекционного курса предлагается выполнение практических работ в оптимальном для данного контингента студентов объеме.

•Предисловие Для студентов, не специализирующихся в области традиционного металло- и материаловедения, приведены основные положения металловедения и материаловедения, которые необходимы для усвоения основ наноматериаловедения. Студенты, изучающие курс «Материаловедение», и для которых тема «Нанотехнология и наноматериалы»

завершает изучение курса, могут прорабатывать задания самостоятельной работы, не обращаясь к подразделам 3.1 «Критерии оценки конструкционных свойств», 3.2 «Сырьевые ресурсы» и 6.1 «Основы фрагментирования структуры металлов». Для студентов старших курсов, изучающих специальные главы материаловедения применительно к специфике своей будущей профессии после прохождения основного курса на младших курсах, отмеченные главы могут служить справочным материалом.

Построение практических работ предусматривает возможность их самостоятельного выполнения, в том числе и студентами заочной формы обучения. Для этой категории студентов коллекция нанобъектов заменяется на ее электронный аналог. Остальные задания самостоятельной работы выполняются ими в полном объеме.

Проработка учебного пособия в полном объеме рекомендуется также для преподавателей и инженерно-технических работников, не имеющих опыта практической работы в области нанотехнологии и наноматериаловедения.

Для практического ознакомления студентов с современным уровнем развития нанотехнологии после прослушивания установочной лекции проводится теоретический семинар по теме «Нанотехнология», а затем выполняется лабораторная работа «Наноматериалы». Необходимым условием успешного участия в работе семинара и выполнения лабораторной работы является обязательная самостоятельная подготовка студента к предстоящим практическим занятиям.

Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей технических вузов очной, очно-заочной и заочной форм обучения.

Содержание пособия основано на курсе лекций и лабораторном практикуме, которые автор в течение ряда лет проводит в МГТУ «МАМИ»

(Московский государственный технический университет «Московский автомеханический институт»).

Автор признателен рецензенту проф., д-ру техн. наук Б. Б. Бобовичу, а также проф. Л.Н. Патрикееву, проф. В. В. Серебрякову, проф.

Г. П. Фетисову, за просмотр рукописи и дискуссию по сделанным замечаниям, что способствовало улучшению структуры и содержания учебного пособия.

Свойства любого вещества в нанометровом диапазоне размеров многократно отличаются от свойств макрообразца того же самого вещества, поскольку свойства макрообразца вещества формируются в соответствии с законами классической физики, а в свойствах наноразмерной частицы проявляются эффекты квантовой механики.

Технические приложения выдающихся свойств наноразмерного состояния вещества в настоящее время сосредоточены преимущественно в области электроники, а также в некоторых других областях науки и техники, где возможно практическое использование единичных наночастиц.

Между тем просматривается не менее эффективное использование преимуществ наноразмерного состояния вещества для многократного улучшения потребительских свойств традиционных материалов конструкционного и функционального назначения.

Анализ экспериментальных работ по модификации наиболее широко применяемых в машиностроении металлических материалов показывает, что традиционные способы повышения их технических характеристик путем эмпирического подбора легирующих элементов и использования различных способов термомеханической обработки практически исчерпали себя. Аналогичные проблемы с повышением уровня свойств конструкционных материалов традиционными способами отмечены и в других областях материаловедения. Можно предположить, что в обозримом будущем от традиционных способов модифицирования конструкционных материалов трудно ожидать революционного изменения уровня потребительских свойств материалов, хотя эволюционное улучшение их технических характеристик неизбежно.

В настоящее время общепризнанно и экспериментально подтверждено, что достижение нанометрового интервала размеров дискретных элементов структуры материалов обеспечивает принципиально новый, существенно более высокий уровень их технических характеристик. Нанотехнология решает проблемы рационального использования потенциальных возможностей широко применяемых в технике материалов и открывает новые, неизвестные ранее перспективы материаловедения.

В настоящее время свыше 90% конечного продукта нанотехнологии представлено дисперсными частицами наноразмерного диапазоВведение на, которые называют нанопорошками. Дисперсные частицы в нанопрошке практически никак не связаны друг с другом, что не позволяет использовать нанопорошок в качестве материала конструкционного или функционального назначения. Для получения возможности использования нанопорошков для изготовления из них деталей машин и оборудования необходимо консолидировать нанопорошки в объемный материал.

В учебном пособии рассматриваются объемные наноматериалы, их технология, основные свойства и технический потенциал практического применения.

В соответствии с поставленной задачей в пособии на доступном для студентов технических вузов уровне последовательно излагаются основные научные положения широкого круга предметов, необходимые для понимания рассматриваемых вопросов. Следует отметить, что широкие междисциплинарные связи являются характерной особенностью нанотехнологического образования.

Отметим также, что не все рассматриваемые в учебном пособии материалы вполне освоены, а их технология доведена до промышленной стадии производства. Многие из них не вышли из лабораторной стадии исследования и нельзя ожидать их практического использования в течение нескольких ближайших лет. Возможно также, что некоторые из этих материалов не оправдают возлагаемых на них надежд.

Вместе с тем нельзя отрицать, что материалы, субъективно отобранные автором из огромного массива публикаций в периодической печати и трудах научных конференций различного уровня, объективно представляют собой практический выход напряженного труда многих коллективов ученых в самой передовой области современного материаловедения — наноматериаловедении.