Материалознание и технология на наноматериалите на наносистемите. Нанотехнологии, материалознание и механика

Препоръчано за публикуване от Института по металургия и материалознание (ИМЕТ) им. А.А. Байков RAS (Лаборатория по физична химия и технология на нанасяне на покрития - ръководител на лаборатория V.I. Калита, доктор на техническите науки, професор) и Инженерно-икономически университет в Санкт Петербург (Катедра по инженерни и технически науки - ръководител на катедра V.K. Федюкин, д.т.н. наук, професор, член-кореспондент на Международната академия на висшето образование) като учебно помагало за студенти, обучаващи се в технологични области на обучение като част от курса „Съвременни технологии и материали за индустрии“.

Получава УМО Графика за ППО № 04-01 (Одобрена от Учебно-методическото сдружение за професионално педагогическо образование като учебник за студенти от висши учебни заведения).

Научният и технологичен прогрес в областта на високите технологии - в материалознанието, електрониката, микромеханиката, медицината и други области на човешката дейност е свързан с резултатите от фундаментални и приложни изследвания, проектиране и практическо използване на конструкции, материали и устройства, елементи от които имат размери в нанометровия диапазон (1 nm = 10-9m), и разработването на технологии за тяхното производство (нанотехнологии) и диагностични методи. Обектите на нанотехнологиите в материалознанието са дисперсни материали, филми и нанокристални материали.

Целта на ръководството е да запознае студентите и специалистите с нова ефективна посока в развитието на науката и технологиите в областта на наноматериалите и нанотехнологиите, по-специално синтеза на нанокристални структурни материали с уникални свойства и примери за тяхното използване в промишлеността. .

Наръчникът разглежда теоретичните и технологичните основи, проблемите и перспективите на нанонауката и наноиндустрията. Предложени са дефиниции на основните понятия на нанонауката. Данните за наноматериалите и наноструктурите са систематизирани и е дадена тяхната класификация. Описани са методи за изследване и проектиране на наноструктури. Даден е анализ на методите за синтез на наноструктурирани материали и редица примери за приложението им в традиционни и нови технологии в различни индустрии. Разгледани са особеностите на промените във физичните, механичните и технологичните свойства на структурните и функционалните наноматериали.

Учебникът е предназначен за студенти от висши учебни заведения, обучаващи се в различни специалности, изучаващи курсове по материалознание и технология на конструкционните материали. Може да бъде полезен за студенти, специалисти и изследователи, занимаващи се с наноматериали и нанотехнологии.

Структурата на урока:

Въведение.

Глава 1. Основи и аспекти на развитието на науката за наноматериалите и нанотехнологиите.

Глава 2. Наноматериали и наноструктури.

Глава 3. Методи за изследване и проектиране на наноструктури.

Глава 4. Технологии за получаване на наноструктурирани материали и производство на нанопродукти.

Глава 5. Механични свойства на наноматериалите.

Заключение.

Библиографски списък.

Списък с термини.

Приложение: Специализирана изложба за нанотехнологии и наноматериали.

Библиографска връзка

Забелин С.Ф., Алимова М.И. МАТЕРИАЛИЗИРАНЕ И ТЕХНОЛОГИЯ НА НАНОСТРУКТУРИРАНИ МАТЕРИАЛИ (ИНСТРУКЦИЯ) // International Journal of Experimental Education. - 2015. - No 1. - С. 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (дата на достъп: 17.09.2019 г.). Предлагаме на вашето внимание списанията, издавани от издателство "Академия по естествена история"

Модел на въглеродни нанотръби

Краят на една година и началото на следващата е специално време, когато човечеството е посещавано от желанието да анализира миналото и да разсъждава върху това, което предстои. И в началото на новата година искаме да направим преглед на 10-те най-важни разработки в нанотехнологиите от началото на тяхното развитие, свързани с материалознанието.

Ето как J.Wood, един от неговите редактори, започва публикацията си в следновогодишния брой на Materials Today, чудейки се кои събития от последните 50 години са определили днешната висока динамика в развитието на материалознанието. Ууд идентифицира 10 събития (без откриването на високотемпературна свръхпроводимост тук, очевидно, като събитие, по-значимо за физиците, отколкото за учените по материали).

На първо място- "Международна технологична пътна карта за полупроводници" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), не е научно откритие, а всъщност документ (аналитичен преглед), съставен от голяма международна група експерти (през 1994 г., повече от 400 технолози участваха в съставянето на Картата, а през 2007 г. повече от 1200 специалисти от индустрията, национални лаборатории и академични институции). Комбинирайки наука, технологии и икономика, Картата определя цели, които могат да бъдат постигнати в даден период от време, и най-добрите начини за постигането им. Окончателният доклад (през 2007 г. съдържа 18 глави и 1000 страници текст) е резултат от консенсус между по-голямата част от експертите, постигнат след продължителни дискусии. Руските организатори на наноизследванията се сблъскаха с подобен проблем при избора на целта на наноразработката. Те се опитват за кратко време да "инвентаризират" това, което вече "нанася" в Русия и, призовавайки набързо създадените експертни съвети, да намерят оптималната посока на канала за развитие. Познаването на съдържанието на доклада на ITRS и опита от организирането на тези проучвания очевидно биха били полезни.

Ориз. 1. Полупроводникови изследвания на базата на ITRS

Второ място- сканираща тунелна микроскопия - не е изненадващо, защото именно това изобретение (1981 г.) послужи като тласък за наноизследванията и нанотехнологиите.

Трето място- ефектът на гигантското магнитосъпротивление в многослойни структури от магнитни и немагнитни материали (1988 г.), на базата на които са създадени четящи глави за твърди дискове, които сега са оборудвани с всички персонални компютри.

Четвърто място- полупроводникови лазери и светодиоди на GaAs (първата разработка датира от 1962 г.), основни компоненти на телекомуникационни системи, CD и DVD плейъри, лазерни принтери.

Пето място- отново се отнася не до научно откритие, а до добре организирано събитие през 2000 г. за насърчаване на масивни напреднали научни изследвания - т.нар. Национална инициатива за нанотехнологии на САЩ. Науката по света сега дължи много на ентусиастите на тази инициатива - тогавашния президент Б. Клинтън и д-р М. Роко (Mihail C. Roco) от Националната научна фондация на САЩ. През 2007 г. глобалното финансиране на наноизследванията надхвърли $12 млрд. Съответни научни програми са стартирани в 60 (!) страни по света. Между другото, позицията на някои руски учени, които са недоволни от „нановиелицата“ [например 2], е малко неразбираема, защото именно тази снежна буря принуди руското правителство най-накрая да се обърне към науката.

Ориз. 2. Велосипед, подсилен с нановлакна

Шесто място– пластмаси, подсилени с въглеродни влакна. Композитните материали - леки и здрави - преобразиха много индустрии: самолети, космически технологии, транспорт, опаковки, спортно оборудване.

Седмо място– материали за литиево-йонни батерии. Трудно е да си представим, че доскоро се справяхме без лаптопи и мобилни телефони. Тази "мобилна революция" не би била възможна без прехода от акумулаторни батерии, използващи водни електролити, към по-енергийно интензивни литиево-йонни батерии (катод - LiCoO__2__ или LiFeO__4__, анод - въглерод).

Осмо място– въглеродни нанотръби (1991), тяхното откриване е предшествано от не по-малко сензационно откритие през 1985 г. на C__60__ фулерени. Днес невероятните, уникални и обещаващи свойства на въглеродните наноструктури са в центъра на най-горещите публикации. Все още обаче има много въпроси относно методите за техния масов синтез с еднакви свойства, методите за пречистване и технологиите за тяхното включване в наноустройства.

Ориз. 3. Метаматериал, който абсорбира електромагнитното лъчение

девето място– материали за мека печатна литография. Литографските процеси заемат централно място в производството на днешните микроелектронни устройства и схеми, носители за съхранение и други продукти и няма алтернатива в близко бъдеще. Меката печатна литография използва еластичен полидиметилоксисиланов печат, който може да се използва многократно. Методът може да се използва върху плоски, извити и гъвкави субстрати с достигната днес разделителна способност до 30 nm.

Материалите винаги са играли важна роля в развитието на цивилизацията. Учените казват, че историята на човечеството може да бъде описана като промяна в използваните материали. Епохите от историята на цивилизацията са наречени според материалите: каменна, бронзова и желязна епоха. Може би настоящата ера ще бъде наречена век на композитните материали. В развитите страни науката за материалите се нарежда сред първите три области на знанието, заедно с информационните технологии и биотехнологиите.

Всеки клон на технологията, докато се развива, предявява все по-разнообразни и високи изисквания към материалите. Например, конструктивните материали за спътници и космически кораби, в допълнение към температурата (високи и свръхниски температури) и устойчивостта на термичен цикъл, трябва да имат херметичност при абсолютен вакуум, устойчивост на вибрации, високи ускорения (десетки хиляди пъти по-големи от ускорението). на гравитацията), бомбардиране с метеорит, продължително излагане на плазма, радиация, безтегловност и др. Само композитни материали, състоящи се от няколко компонента с рязко различни свойства, могат да задоволят такива противоречиви изисквания.

Слоест интерметален композит с повишена топлоустойчивост

Композит от свръхпроводящи влакна

Устойчив на износване композитен материал, усилен с дисперсия

Развитието на нанотехнологиите (един от разделите на съвременната материалознание), според прогнозите на повечето експерти, ще определи лицето на 21-ви век. Това се потвърждава от присъждането на четири Нобелови награди по химия и физика през последните 15 години: за откриването на нови форми на въглерод - фулерени (1996) и графен (2010), за разработки в областта на полупроводниковата технология и интегралните схеми (2000 г.), оптични полупроводникови сензори (2009 г.). Русия е на второ място в света по инвестиции в нанотехнологии, на второ място след САЩ (през 2011 г. инвестициите възлизат на около 2 милиарда долара). В момента науката преживява истински бум на нови материали. В тази връзка учените за материали са търсени в много индустрии: в ядрената енергетика, медицината, производството на петрол, автомобилостроенето, авиацията, космоса, отбраната, енергийната индустрия, елитната спортна индустрия, изследователските институти и иновативните компании, произвеждащи наукоемки продукти.

Части и възли на Sukhoi Superjet 100, изработени от композитни материали

Гъвкави дисплеи на базата на графен

Съвременна спортна екипировка от композитни материали

Учените по материали се занимават с разработване, изследване и модифициране на органични и неорганични материали за различни цели; процесите на тяхното производство, структурообразуване, трансформация на етапите на производство, преработка и експлоатация; въпроси за надеждност и ефективност на материалите; компютърна симулация на поведението на части и възли при различни видове натоварване; осигурява техническа подкрепа на различни производствени отдели по въпроси, свързани с материали за производство на възли и компоненти на оборудването, участва в избора и оценката на потенциални доставчици на компанията.

Завършилите специалност „Материалознание” на VolgGTU са търсени, работещи в големи компании и предприятия: OJSC SUAL клон на VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradnefteperrabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau Neftemash, JSC Central Design Bureau Tif. VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 и много други.

Обучението на дипломирани бакалаври и магистри се извършва в рамките на направление „Материознание и технология на материалите” в.

Начало > Документ

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

Държавна образователна институция

висше професионално образование

"Държавна текстилна академия Иваново"

Катедра по физика и нанотехнологии

		ОДОБРЯВАМ Заместник-ректор по учебната дейност В. В. Любимцев „_____“ ___________________ 2011 г

Материалознание за наноматериали и наносистеми

Код, посока на подготовка	152200 Наноинженерство

Тренировъчен профил	Наноматериали

Цикъл, код	Математически и естествени науки (B.3.1-3a)

семестър(и)

Квалификация (степен) на завършилия	ерген

Форма на обучение	пълен работен ден

факултет	модна индустрия

Иваново 2011г

В резултат на изучаването на дисциплината "Материознание на наноматериалите и наносистемите", студентите трябва: зная: - свойства и приложения на нанодисперсен прах, фулеренови наноструктурирани твърди, течни и гелообразни материали, наноразмерни елементи и обекти, наносистеми (хетероструктури); основи на нанотехнологиите за получаване на наноматериали; основи на нанотехнологиите за получаване на наноструктурирано и градиентно втвърдяване, защитни и функционални слоеве и покрития; основи на технологичните процеси за синтез на композитни материали; да може да: - избират наноструктури и методи за тяхното производство за реализиране на нанообекти с определени характеристики за специфичните изисквания за преобразуване на електрически, оптични, магнитни, термични и механични сигнали; - използват основните понятия и дефиниции при формиране на задълбочени познания в областта на наноинженерството; - анализират характеристиките на нанопродуктите и нанотехнологиите; изготвят схеми на технологично оборудване и устройства за нанотехнологични процеси. собствен: - умения за решаване на задачи за формиране на знания в областта на наноинженерството. Работната програма на дисциплината предвижда следните видове учебна работа:

Вид учебна работа	Общо часове/кредити	Номер на семестъра
Вид учебна работа	Общо часове/кредити
Дейности в класната стая (общо)
Включително:

Практически занимания (семинари)
Самостоятелна работа (общо)
Подготовка за практически занятия (семинари)
Изучаване на теоретични въпроси, представени за самостоятелно изследване
Подготовка за теста
Вид междинен сертификат (тест, изпит)
Обща интензивност на труда: часове кредитни единици

Дисциплината включва следните раздели:

Историята на появата на наноматериалите, динамиката на тяхното развитие и прилагане на практика.

Основни понятия и класификация на наноструктурираните материали.

Характеристики на свойствата и основните видове наномащабни системи.

Технологични процеси на производство, преработка и модификация на наноматериали и продукти на тяхна основа.

началник отдел

А.К. Изгородин

Учител-разработчик

Катедрата по нанотехнологии, материалознание и механика е създадена през декември 2011 г. на базата на две катедри на Физико-техническия институт на TSU и има дълбоки исторически корени. В началото на катедрата стояха учени от световна класа, професори M.A. Крищал, Г.Ф. Лепин и Е.А. Мамонтов, който направи огромен принос в науката за физическото материалознание и създаде основата на изследователската база за материалознание в университета.

Раздел "Механика"; базов отдел "Наноматериали" (Москва, Централен изследователски институт на Чермет на името на И.П. Бардин), научно-образователен център "Физически материалознание и нанотехнологии";

Повече от 20 модерни, добре оборудвани учебни и изследователски лаборатории за електронна, лазерна, атомно-силова микроскопия, физико-механични изследвания, рентгенов дифракционен анализ, металография и акустична емисия и др., три от които са акредитирани в системите на Ростехнадзор и аналитични лаборатории (SAAL);

Международно училище "Физически материалознание"

Сътрудничество с водещи руски и чуждестранни научни школи, включително университети в Германия (Фрайберг), Япония (Осако, Киото), Австралия (Мелбърн) и др.

Всички старши студенти се занимават с ползотворна изследователска работа и ежегодно стават победители и лауреати на конкурси за научни разработки и дипломни проекти. Почти 100% от завършилите катедрата са заети, от които 80% работят по специалността си в изследователския център и отдела за лабораторни изпитвания на PJSC AVTOVAZ, лабораториите на Регионалния иновационен и технологичен център в Самара, както и в експертни организации.

Изпълняващ длъжността началник на отдел

професор, доктор на техническите науки

КлевцовГенадий Всеволодович

Области на обучение

Бакалавърска степен:
– 22.03.01 Материалознание и технология на материалите (профил „Съвременни материали и технологии за тяхното производство“)

Магистърска степен:
– 22.04.01 Материалознание и технология на материалите

(профил "Инженеринг на съвременни материали и диагностика на поведението на материалите в продуктите")

Доцент доктор:
– 03.06.01 Физика и астрономия

(профил "Физика на кондензирана материя")

– 22.06.01 Технология на материалите (профил „Металознание и топлинна обработка на метали и сплави“)

Цели на образователната програма 22.04.01 Материалознание и технология (Инженерство на съвременни материали и диагностика на поведението на материалите в продуктите):

C 1. Подготовка на дипломант за научноизследователска работа в областта на съвременното материалознание.

C2. Подготовка на абитуриент за създаване на нови материали, изследване на техните свойства, разработване на технология за тяхното производство.

C3. Подготовка на дипломант за проектиране на материали с желани свойства.

C 4. Подготовка на дипломиран специалист за производствени и технологични дейности, което осигурява въвеждането в експлоатация на нови високотехнологични разработки, търсени на световно ниво.

Дисциплини

Преподавателите от катедра „Нанотехнологии, материалознание и механика” провеждат занятия по следните дисциплини:

– Теоретична механика;

– здравина на материалите;

– Теория на машините и механизмите;

- Машинни части;

- Материалознание;

– Технология на конструктивните материали;

– Нанотехнологии в производството и екологията;

– Физически и химични основи на нанотехнологиите;

– Материалознание на наноматериалите и наносистемите;

– Физика на кондензирано състояние;

– Фазови равновесия и структурообразуване;

– Физически материалознание;

– Якост на сплави и композити;

– Нови технологии и материали;

– Методи за втвърдяване на конструктивни материали;

– Неразрушителни методи на изследване и др.