Сапожников С.Б. , Жеребцов Д.А .

1. Южно-Уральский государственный университет Южно-Уральский государственный университет Конструкционные и функциональные наноматериалы, их характеризация и перспективы Сапожников С.Б., Жеребцов Д.А.

2. Содержаниепрезентации: • Направления исследований • Оборудование • Результаты • Перспективы 09.09.2014

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. 09.09.2014

4. Справка (США, <2005) Наиболее перспективные области приложенияусилий: • 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. В 2005 году три крупнейших и признанных научных центра США – MIT, Berkeley и Stanfordпровели симпозиум "Nanotech: From Promise to Reality", на котором обсудили планы и достижения нанотехнологий. 09.09.2014

5. Получение наночастиц и наноматериалов Характеризация наноматериалов Математическое моделирование нанообъектов, наноматериалов и нанотехнологий Практическое использование наноматериалов 2. Направления исследований в ЮУрГУ 09.09.2014

6. 3. Оборудование НОЦ • Производственное (мельницы, диспер-гатор, классификатор, гомогенизатор, детонационный комплекс, центрифуга, печи, перчаточный бокс и др.) • Аналитическое и испытательное (микроскопы: оптические, электронные – сканирующие, просвечивающие, атом-но-силовые), механические испытания, нанотвердометрия, наносклерометрия, ДТА, ДМА, вискозиметрия, ИК- и масс-спектроскопия и др.) 09.09.2014

7. Получение наночастиц и наноматериалов • 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... 09.09.2014

8. Измельчение до нанометров производственное оборудование Планетарная мельница Дезинтегратор Гомогенизатор Ауд.02ауд.04 09.09.2014

9. Гомогенизация (схема BEEI) производственное оборудование 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 соплоd=0,1 мм 09.09.2014

10. Получение наночастиц и наноматериалов • Характеризация наноматериалов • Математическое моделирование наноматериалов и технологий • Практическое использование наноматериалов Установка INSTRON 5882 (ауд.275) Испытания на растяжение/сжатие/изгиб, контактные и бесконтактныетензометры, термокамера (20...3500С), вязкость разрушения, циклическое нагружение... испытательное оборудование 09.09.2014

11. Универсальная испытательная машина Instron 5880 Самозатягивающиеся захваты

12. Универсальная испытательная машина Instron 5880 Термокамера Опоры для испытаний на изгиб

13. Универсальная испытательная машина Instron 5880 Бесконтактный видеоэкстензометр AVE (по деполяризующим меткам)

14. Универсальная испытательная машина Instron 5880 Результаты испытаний Диаграмма вдавливания и разгрузки при испытаниях на твердость по Бринеллю

15. Универсальная испытательная машина Instron 5880 Результаты испытаний Испытание стальных образцов на растяжение с автоматическим протоколированием данных

16. Универсальная испытательная машина Instron 5880 Результаты испытаний Испытание ленты толщиной 0,1 мм из аморфного никеля. Определение предела прочности и модуля упругости.

17. Термический анализ Совмещенный STA: дифференциальный термический анализ+масс/ИК-Фурье спектроскопия (NETZSCH) ауд.04 аналитическое оборудование 09.09.2014

18. Результаты ТГА+МС+ИКФурье • Наноматериал на основе гидролизованного тетрабутилтитаната 09.09.2014

19. Динамический механический анализ Установка DMA 402 (NETZSCH) ауд.04 аналитическое оборудование 09.09.2014

20. Динамический мех. анализ • PVC пластифицированный(nanoSilicon Oildrops) 09.09.2014

21. 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) растяжение, сдвиг, сжатие, пенетрация, трехточечный изгиб, двухплечевой изгиб Держатели образцов

22. Объемная доля частиц 1% Объемная доля частиц 4% 1 Гц 10 Гц 20 Гц 1 Гц 10 Гц 20 Гц Результаты испытаний Эпоксидная смола, наполненная наночастицами SiO2 Вид деформации: растяжение Дин. сила: 0,8 Н Скорость нагрева: 1К/мин

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%.

24. Объемная доля частиц 0% 14% 9% 21% Результаты испытаний Эластомер, наполненный наночастицами SiO2 При наполнении элас-томера наночастица-ми SiO2в 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 Вид деформации: пенетрация Дин. сила: 1 Н Скорость нагрева: 1К/мин Пик 18,80С, 0.94 Пик 17,60С, 1.16 Пик 24,50С, 0.5

25. Склерометрия и индентирование Нанотвердомер NanoScan (ауд.04) Измерение на нанометровом уровне твердости, модуля упругости, склерометрия, измерение рельефа. испытательное оборудование 09.09.2014

26. Характеризация (методы) • Склерометрия (NanoScan) 09.09.2014

27. Склерометрия • Кварцевое стекло, склерометрия (NanoScan) Глубина 70 нм, поле 10х20 мкм 09.09.2014

28. Атомно-силовой микроскоп NT-MDT (Solver Pro)ауд.445 аналитическое оборудование 09.09.2014

29. 6. Характеризация (методы) • Определение размеров частиц: SEM, TEM,АFМ, LD, IA, IG (new) Агломераты наноSiO2 Одиночные наночастицы 09.09.2014

30. SPM-сканирование Одиночные наночастицы Au на стеклоуглероде Solver Pro 47 09.09.2014

31. AFM-сканирование БС резины Образец № 4 V=21% Рельеф H=57 нм Площадь S=2,89 мкм2 Полуконтактный режим сканирования Нанокластеры SiO2+оБСР 09.09.2014

32. Электронные микроскопы аналитическое оборудование Сканирующий: SEM JEOL JSM 6460LV Просвечивающий: TEM JEOL JEM 2100 Ауд.433 Ауд.03 09.09.2014

33. Сканирование (SEM) Нанокерамика низкой плотности Al2O3 09.09.2014

34. Исследования вязкости Ротационные вискозиметры Brookfield (США) LVIII Ultra+, R/S plus(ауд.04) аналитическое оборудование 09.09.2014

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. 09.09.2014

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 • ... 09.09.2014

37. Упругие свойства нанополимеров Аппроксимация макро E/Em exp(3,0*V*k) 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. 09.09.2014

38. Макромодель БСР+наноSiO2 эксперимент расчет 09.09.2014

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. 09.09.2014

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. 09.09.2014

41. Измельчение зерна в отливках • Введение 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. 09.09.2014

42. Измельчение зерна литой стали, повышение твердости Исходная сталь Сталь модифицированная 09.09.2014

43. Выращивание монокристаллического нитрида галлия для белых светодиодов

44. Стеклоуглеродные наноматериалы для топливных ячеек, 25000х

45. Стеклоуглерод, 500000х

46. Стеклоуглерод(ТЕМ), WO2(SЕМ)

47. Разработка золь-гель технологии легирования особо чистого кварцевого стекла

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. 09.09.2014

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 09.09.2014

50. Перспективы(прикладныеR&D) 2 • 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 09.09.2014