Статья:

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА СВОЙСТВА АЛЛЮМИНИЕВЫХ КОПОНЕНТОВ

Конференция: XXIII Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: 11. Нанотехнологии

Выходные данные
Смирнов Е.В. ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА СВОЙСТВА АЛЛЮМИНИЕВЫХ КОПОНЕНТОВ // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XXIII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4(23). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/4(23).pdf (дата обращения: 25.08.2019)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 1 голос
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА СВОЙСТВА АЛЛЮМИНИЕВЫХ КОПОНЕНТОВ

Смирнов Егор Владимирович
студент Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, РФ, г. Владимир
Жданов Алексей Валерьевич
научный руководитель, доц. Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, РФ, г. Владимир

 

Исследование влияния углеродных нанотрубок на свойства алюминиевых композитов. Установление зависимости физико-механических свойств алюминиевых композитов от уникальных свойств углеродных нанотрубок.

На протяжении последних лет в различных областях науки и техники все более популярными становятся объекты нанометрового масштаба. Проблема создания твердотельных наноструктур с заданными свойствами и контролируемыми размерами входит в число важнейших проблем 21 века. Ее практическое решение вызвало революцию в материаловедении, электронике, механике, химии, медицине и биологии.

Развивающиеся технологии современного машиностроения требуют разработки новых конструкционных материалов, которые были бы способны обеспечить достаточный уровень прочности и, одновременно, малый вес изделий. Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Долгие годы считалось, что углерод может образовывать только две кристаллические структуры — алмаз и графит, однако это оказалось не так. Нанотрубки следует рассматривать как новый материал с уникальными физикохимическими свойствами, открывающий большие возможности для широкого применения.

Углеродные нанотрубки (турбулены) — одна из твердых форм углерода, представляющая собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

 

Рисунок 1. Фотография нанотрубки, сделанная электронным микроскопом

 

Включая нанотрубки в различные сплавы (алюминиевые, магниевые, литиевые) можно существенно повысить износостойкость, прочность и трещиностойкость. Создание подобных материалов часто происходит на базе полимеров или металлов, обладающих малой плотностью. Повышение комплекса механических свойств таких материалов возможно за счет модифицирования их структуры или введения в них упрочняющих фаз. В связи с этим, использование наноразмерных частиц в качестве упрочняющей или модифицирующей фазы является перспективным с позиции получения материалов, обладающих высокой удельной прочностью.

Углеродные нанотрубки обладают уникальными упругопрочностными, теплофизическими и электрическими свойствами. Но, многослойные нанотрубки отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций.

Таблица 1.

Характеристики многослойных и однослойных углеродных нанотрубок


Характеристика


Однослойные нанотрубки (диаметр 10 нм, длина 100 нм)


Многослойные нанотрубки (диаметр 200 нм)


Сталь


Модуль упругости


1280—1800 Гпа


600 Гпа


210 Гпа


Прочность при растяжении


45,0 Гпа


7,0 Гпа


20-2,2 Гпа

 

Таблица 2.

Другие характеристики углеродных нанотрубок (УНТ)


Другие характеристики


Значение


Комментарий


Удельная поверхность


500—1500 м2


-


Коэффициент теплопроводности вдоль оси


500—5500 Вт/м-К


У кремния — 150 Вт/м-К, у меди 400 Вт/м-К


Удельное сопротивление (в зависимости от хиральности нанотрубки)


От 5*10—6 до 0,8 0 м-см


У меди — 1,67*10—6 0 м-см


Плотность тока (при напряженности электрического поля в несколько вольт на миллиметр)


100 мкА/см2 для многослойных нанотрубок (в частности, марки CN-CVD, производитель — ULVAC, Япония); до 109 А/см2 для нанотрубок кресельной хиральности


Медь в этих условиях плавится

 

Эта форма углерода, представляющая собой свернутый в трубу графеновый лист, обладает рекордными значениями прочности и жесткости. Развитие способов получения этих наноразмерных объектов интенсивно снижает финансовые затраты на их производство. Это дает основания предполагать, что в скором времени вопрос об экономической эффективности их применения перестанет быть актуальным. Длина углеродных нанотрубок достигает десятков микрометров при максимальном диаметре ~ 150 нм (в случае многослойных нанотрубок). При этом их прочность достигает 7 ГПа. Такие высокие механические свойства обеспечивают целесообразность введения нанотрубок в полимеры или металлы. Ожидается, что распределенная в объеме материала высокопрочная наноразмерная фаза обеспечит высокую прочность композиции. Однако решение этой задачи сопряжено с некоторыми сложностями, обусловленными особенностями наноразмерных частиц.

В настоящее время проблемой получения композиционных материалов, армированных углеродными нанотрубками, занимается большое количество отечественных и зарубежных исследователей. Тем не менее, существует ряд проблем, препятствующих введению углеродных нанотрубок в полимерные и металлические материалы. Среди них следует отметить высокую химическую инертность и низкие показатели смачиваемости углеродных наночастиц. Поиск эффективных способов решения данной проблемы представляет собой актуальную задачу. Низкая термическая стабильность углеродных нанотрубок не позволяет ожидать положительного эффекта от введения нанотрубок в расплавы металлов. При этом наиболее вероятными являются процессы образования карбидов, появление которых в структуре металлов является отрицательным фактором. Поэтому проведение функционализации с целью повысить совместимость наночастиц с матричным материалом в большей степени целесообразно в случае полимерных материалов, процессы переработки которых реализуются при более низком уровне температур.

Большинство опубликованных работ в этой области посвящено композитам с полимерной матрицей, в то время как исследований по композитам с металлической матрицей немного. Между тем металломатричные композиты — металлы, упрочненные частицами твердых веществ, обладающие высокой прочностью и в значительной мере сохраняющие свойства металлов (пластичность, тепло- и электропроводность), — являются перспективными конструкционными и функциональными материалами [9].

На сегодняшний день для получения алюминиевого композита, упрочненного углеродными нанотрубками (УНТ), в большинстве работ используются методы порошковой металлургии, заключающиеся в получении брикета — компакта из порошка с последующей его горячей деформацией. Компакты получают с помощью электроискрового спекания, холодного прессования и спекания, взрывного компактирования, горячего изостатического прессования, горячего прессования. В качестве финальной операции использовали горячую экструзию или прокатку. Есть публикации,

в которых успешно совместили получение прессованного брикета из порошка с операцией экструзии, реализовав метод электроискровой экструзии SPE [1].

На данный момент существует ряд проектов, во-первых, занимающихся получением экспериментальных образцов композиционного материала с выбранными составами алюминиевого матричного сплава с различным содержанием углеродных нанотрубок и исследованием его свойств, а во-вторых, разработкой технологии изготовления высокопрочного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного углеродными нанотрубками. К конкурентным преимуществам экпериментальных образцов можно отнести:

·     высокопрочный металлический композиционный материал;

·     высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения;

·     коррозионная стойкость;

·     эффективный процесс производства.

Потенциально для разрабатываемого материала могут быть использованы общие свойства других металломатричных композиционных материалов с углеродными нанотрубками. Однако конечный результат будет определятся материалом металлической матрицы (в данном случае алюминий), содержанием и соотношением используемых материалов, используемой технологией изготовления и рядом прочих факторов, определяющих уникальность конкретной разработки.

Свойства металломатричных композитов с углеродными нанотрубками [9]:

·     УНТ равномерно диспергируются по металлу, между нанотрубками и металлической матрицей наблюдается сильная межфазная адгезия.

·     ММК с УНТ обладает превосходными электрическими свойствами и используются для армирования металлов с целью улучшения их электрических свойств.

·     Углеродные нанотрубки характеризует чрезвычайно высокая теплопроводность, что позволяет металлическим матрицам с УНТ использоваться для теплового управления.

·     Термические свойства ММК с УНТ могут быть улучшены на основе распределения и соединения УНТ с матрицей.

·     Производство ММК с УНТ является экономически целесообразным.

·     Добавление УНТ в композиционные покрытия увеличивает их коррозионную стойкость.

·     ММК имеют высокую теплопроводность и низкий КТР.

Основной движущей силой для инвестиций в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки (НИОКР) углеродных нанотрубок является перспектива создания улучшенных материалов, рассчитанных на широкий диапазон применений.

К областям применения ММКМ с УНТ относятся:

1.  корпусирование электронных схем: припои и радиаторы для теплового управления;

2.  автомобильная промышленность: шестерни, тормозные колодки, поршевые кольца и гильзы цилиндров;

3.  космическая техника: структурные радиаторы и антенные системы с высоким коэффициентом усиления;

4.  аэрокосмическая промышленность: посадочные устройства и тормоза самолета;

5.  микроэлектромеханические системы (МЭМС) и чувствительные элементы для аккумулирования и хранения энергии: хранение водородных материалов, микро-излучения и микро-передачи, аноды и анодные покрытия;

6.  спортивная индустрия: ракетки для бадминтона и тенниса, легкие велосипеды;

7.  в качестве катализаторов и датчиков;

8.  выпускаются в виде пасты из металлических наночастиц с нанотрубками в жидкой среде, что позволяет их высушить до состояния пленки, а затем использовать в качестве электродов в сенсорных устройствах или непосредственно в качестве электродов в основной форме.

Одним из производителей МКМ с УНТ является группа компаний «Оптикэнерго», которая включает в себя 11 независимых предприятий, в т. ч. осуществляющих промышленное производство: «Сарансккабель-Оптика», «ЭМ-КАБЕЛЬ», «ЭМ-КАТ», «ЭМ-ПЛАСТ», «САРМАТ». В частности, компания ОО «ЭМ-КАТ» является производителем алюминиевых сплавов для электротехнических целей. Катанка производится методом непрерывного литья и одновременной прокатки на базе комплексной автоматической линии фирмы “Continuus-Properzi S.P.A”, Италия. Потенциальный объем потребления МКМ с УНТ: 10 тыс. т. в год.

Суммируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

1.  Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств в зависимости от хиральности.

2.  В России речь идет скорее об опытно-экспериментальном, а не о промышленном производстве углеродных нанотрубок. Ни один из инвесторов не получает пока прибыли, но все рассчитывают, что вот-вот наступит бум.

3.  К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала.

4.  Благодаря высоким значениям твердости и прочности, материалы на основе углерода привлекают большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. Нанотрубки, как было сказано, являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не «рвутся», а перестраиваются.

5.  Добавки углеродных нанотрубок позволяют значительно улучшить прочностные свойства алюминия и его сплавов. Углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высокими механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитных материалов.

 

Список литературы:
1.    Алексеев А.В., Предтеченский М.Р. Алюминиевая фольга, упрочненная углеродными нанотрубками // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. — 2014. Т. 9. — № 2. — С. 167—172.
2.    Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение: [монография] Издательство: Стрежень, 2011 г. ISBN 978-5-88504-069-3.
3.    Бобринецкий И.И., Неволин В.К., Петрик В.И., Чаплыгин Ю.А. Вольтамперные характеристики двухэлектродных элементов с углеродными нанотрубками // Микроэлектроника. — 2003. — № 2. — С. 102—104.
4.    Вишняков Е.М., Хвостов Д.В. Емкостный проводник из полимерного композита с углеродными нанотрубками // КАБЕЛЬ−news. — 2009. — № 12-1. — С. 28—34.
5.    Жуков М.О. Исследование возможности применения модификаторов на основе углеродных наноструктур в технологии эффективных строительных материалов [Текст] / М.О. Жуков, Ю.Н. Толчков, З.А. Михалева // Молодой ученый. — 2012. — № 5. — С. 16—20.
6.    Ильина И. Серебристая мечта // Наука и жизнь. — 2014. — № 1. — С. 62—65.
7.    Неволин В.К., Петрик В.И., Строганов А.А., Чаплыгин Ю.А. Атомная структура нанотрубок из углеродной смеси высокой реакционной способности // Письма в ЖТФ. — 2003. — Т. 29. — В. 8. — С. 84—90.
8.    Рябов С.А., Захарычев Е.А., Семчиков Ю.Д., Исследование влияния времени функционализации углеродных нанотрубок на физико-механические свойства полимерных композитов на их основе // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2013. — № 2 (1). — С. 71—74.
9.    Хисамов Р.Х., Назаров К.С., Зубаиров Л.Р., Назаров А.А., Мулюков Р.Р., Сафаров И.М., Сергеев С.Н., Мусабиров И.И., Фуонг Д.Д., Чин П.В., Луан Н.В., Мин П.Н., Хуан Н.К. Получение, микроструктура и микротвердость армированных углеродными нанотрубками медных композитов // Физика твердого тела. — 2015. — Т. 57. — № 1. — С. 37—42.
10.    Яновский Ю.Г., Козлов Г.В., Буря А.И., Липатов Ю.С. Тепловое расширение полимерных композитов, наполненных углеродными нанотрубками // Физическая мезомеханика. — 2007. — Т. 10. — № 6. — С. 63—67.