Nanosüsteemide nanomaterjalide materjaliteadus ja tehnoloogia. Nanotehnoloogia, materjaliteadus ja mehaanika

Soovitatud avaldamiseks Metallurgia ja Materjaliteaduse Instituut (IMET) im. A.A. Baykov RAS (füüsikalise keemia ja kattetehnoloogia labor - labori juhataja V.I. Kalita, tehnikateaduste doktor, professor) ja Peterburi tehnika- ja majandusülikool (inseneri- ja tehnikateaduste osakond - osakonnajuhataja V.K. Fedjukin, tehnikadoktor Teadused, professor, Rahvusvahelise Kõrghariduse Akadeemia korrespondentliige) õppevahendina kursuse "Kaasaegsed tehnoloogiad ja materjalid tööstusele" raames tehnoloogilistel koolitusvaldkondadel õppivatele ülikooli üliõpilastele.

Sai PPO nr 04-01 UMO Graafik (Kinnitatud Kutsepedagoogilise Haridushariduse Haridus- ja Metoodikaühingu poolt õppevahendiks kõrgkoolide üliõpilastele).

Teaduslik ja tehnoloogiline progress kõrgtehnoloogia vallas - materjaliteaduses, elektroonikas, mikromehaanikas, meditsiinis ja muudes inimtegevuse valdkondades on seotud alus- ja rakendusuuringute tulemustega, konstruktsioonide, materjalide ja seadmete projekteerimise ja praktilise kasutamisega, elementide mille mõõtmed jäävad nanomeetrivahemikku (1 nm = 10-9m), ning nende valmistamise tehnoloogiate (nanotehnoloogia) ja diagnostikameetodite väljatöötamine. Nanotehnoloogia objektideks materjaliteaduses on hajutatud materjalid, kiled ja nanokristallilised materjalid.

Käsiraamatu eesmärk on tutvustada tudengeid ja spetsialiste uue tõhusa suunaga teaduse ja tehnoloogia arengus nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate valdkonnas, eelkõige unikaalsete omadustega nanokristalliliste struktuurimaterjalide sünteesiga ja näidetega nende kasutamisest tööstuses. .

Käsiraamatus käsitletakse nanoteaduse ja nanotööstuse teoreetilisi ja tehnoloogilisi aluseid, probleeme ja väljavaateid. Pakutakse välja nanoteaduse põhimõistete definitsioonid. Nanomaterjalide ja nanostruktuuride andmed on süstematiseeritud ning toodud nende klassifikatsioon. Kirjeldatud on nanostruktuuride uurimise ja projekteerimise meetodeid. Analüüsitakse nanostruktuursete materjalide sünteesi meetodeid ja mitmeid näiteid nende rakendamisest traditsioonilistes ja uutes tehnoloogiates erinevates tööstusharudes. Vaadeldakse struktuursete ja funktsionaalsete nanomaterjalide füüsikaliste, mehaaniliste ja tehnoloogiliste omaduste muutumise tunnuseid.

Õpik on mõeldud kõrgkoolide erinevatel erialadel õppivatele üliõpilastele, kes õpivad materjaliteaduse ja ehitusmaterjalide tehnoloogia kursustel. See võib olla kasulik nanomaterjalide ja nanotehnoloogiatega tegelevatele kraadiõppuritele, spetsialistidele ja teadlastele.

Õpetuse ülesehitus:

Sissejuhatus.

1. peatükk. Nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate teaduse arengu alused ja aspektid.

Peatükk 2. Nanomaterjalid ja nanostruktuurid.

Peatükk 3. Nanostruktuuride uurimise ja kujundamise meetodid.

Peatükk 4. Nanostruktureeritud materjalide saamise ja nanotoodete valmistamise tehnoloogiad.

Peatükk 5. Nanomaterjalide mehaanilised omadused.

Järeldus.

Bibliograafiline loetelu.

Terminite loetelu.

Lisa: Nanotehnoloogiate ja nanomaterjalide erinäitus.

Bibliograafiline link

Zabelin S.F., Alymova M.I. MATERIAALITEADUS JA NANOSTRUKTUURINGUD MATERIAALIDE TEHNOLOOGIA (ÕPETUS) // International Journal of Experimental Education. - 2015. - nr 1. - Lk 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (juurdepääsu kuupäev: 17.09.2019). Juhime teie tähelepanu kirjastuse "Looduslooakadeemia" poolt välja antud ajakirjadele

Süsinik-nanotoru mudel

Ühe aasta lõpp ja järgmise algus on eriline aeg, mil inimkonda külastab soov analüüsida minevikku ja mõtiskleda ees ootava üle. Ja uue aasta alguses tahame üle vaadata 10 olulisemat materjaliteadusega seotud saavutust nanotehnoloogias alates nende arendamise algusest.

Nii alustab ajakirja Materials Today uusaastanumbris avaldamist üks selle toimetajaid J.Wood, kes mõtiskleb, millised sündmused viimase 50 aasta jooksul on määranud tänase materjaliteaduse arengu kõrge dünaamika. Puit tuvastab 10 sündmust (ei hõlma siin kõrgel temperatuuril ülijuhtivuse avastamist, mis on ilmselgelt füüsikute kui materjaliteadlaste jaoks olulisem sündmus).

Esimesel kohal– “International Technology Roadmap for Semiconductors” (ITRS), mitte teaduslik avastus, vaid tegelikult dokument (analüütiline ülevaade), mille on koostanud suur rahvusvaheline ekspertide rühm (1994. aastal oli kaardi koostamisse kaasatud üle 400 tehnoloogi). ja 2007. aastal rohkem kui 1200 spetsialisti tööstusest, riiklikest laboritest ja akadeemilistest asutustest). Ühendades teaduse, tehnoloogia ja majanduse, seab Kaart eesmärgid, mida on võimalik teatud aja jooksul saavutada, ja parimad viisid nende saavutamiseks. Lõpparuanne (2007. aastal sisaldab 18 peatükki ja 1000 lehekülge teksti) on enamiku ekspertide konsensuse tulemus, mis saavutati pärast pikki arutelusid. Venemaa nanouuringute korraldajad seisid nanoarenduse eesmärgi valimisel silmitsi sarnase probleemiga. Nad üritavad lühikese ajaga "inventeerida" seda, mis Venemaal juba "siseb" ja kutsudes üles kiiruga loodud ekspertnõukogusid, leida arengukanali optimaalset suunda. Ilmselgelt tuleks kasuks ITRS-i aruande sisu tundmine ja nende uuringute korraldamise kogemus.

Riis. 1. ITRS-il põhinev pooljuhtide uuring

Teine koht- skaneeriv tunnelmikroskoopia - pole üllatav, sest just see leiutis (1981) andis tõuke nanouuringutele ja nanotehnoloogiatele.

Kolmas koht- hiiglasliku magnetresistentsuse mõju magnetiliste ja mittemagnetiliste materjalide mitmekihilistes struktuurides (1988), mille põhjal loodi kõvaketaste lugemispead, mis on nüüd varustatud kõigi personaalarvutitega.

Neljas koht- pooljuhtlaserid ja LED-id GaA-del (esimene arendus aastast 1962), telekommunikatsioonisüsteemide põhikomponendid, CD- ja DVD-mängijad, laserprinterid.

Viies koht- viitab jällegi mitte teaduslikule avastusele, vaid hästi korraldatud üritusele 2000. aastal, et edendada massiivseid kõrgtasemelisi teadusuuringuid - nn. USA riiklik nanotehnoloogia algatus. Teadus kogu maailmas võlgneb praegu palju selle algatuse entusiastidele – toonastele president B. Clintonile ja dr M. Rokole (Mihail C. Roco) USA riiklikust teadusfondist. 2007. aastal ületas nanouuringute ülemaailmne rahastus 12 miljardi dollari piiri, vastavaid teadusprogramme on käivitatud 60 (!) maailma riigis. Muide, mõne “nanotormiga” [näiteks 2] rahulolematu vene teadlase seisukoht on pisut arusaamatu, sest just see lumetorm sundis Venemaa valitsust lõpuks teaduse poole pöörduma.

Riis. 2. Nanokiududega tugevdatud jalgratas

Kuues koht– süsinikkiuga tugevdatud plastid. Komposiitmaterjalid – kerged ja tugevad – on muutnud paljusid tööstusharusid: lennukid, kosmosetehnoloogia, transport, pakendamine, spordivarustus.

Seitsmes koht– liitiumioonakude materjalid. Raske on ette kujutada, et kuni viimase ajani saime hakkama ilma sülearvutite ja mobiiltelefonideta. See "mobiilne revolutsioon" poleks olnud võimalik ilma veepõhiseid elektrolüüte kasutavatelt laetavatelt akudelt energiamahukamatele liitiumioonakudele (katood - LiCoO__2__ või LiFeO__4__, anood - süsinik) üleminekuta.

Kaheksas koht– süsinik-nanotorud (1991), nende avastamisele eelnes 1985. aastal mitte vähem sensatsiooniline C__60__ fullereenide avastamine. Tänapäeval on süsiniknanostruktuuride hämmastavad, ainulaadsed ja paljutõotavad omadused kuumimate väljaannete keskmes. Siiski on endiselt palju küsimusi nende ühtsete omadustega masssünteesi meetodite, puhastusmeetodite ja nanoseadmetesse lisamise tehnoloogiate kohta.

Riis. 3. Metamaterjal, mis neelab elektromagnetkiirgust

üheksas koht– materjalid pehme trükitud litograafia jaoks. Tänapäeva mikroelektroonikaseadmete ja -skeemide, andmekandjate ja muude toodete valmistamisel on litograafilistel protsessidel keskne koht ning alternatiivi lähitulevikus pole. Pehme trükiga litograafias kasutatakse elastset polüdimetüüloksüsilaani templit, mida saab kasutada mitu korda. Meetodit saab kasutada tasastel, kumeratel ja painduvatel aluspindadel, mille eraldusvõime on tänapäeval saavutatud kuni 30 nm.

Materjalid on tsivilisatsiooni arengus alati olulist rolli mänginud. Teadlaste sõnul võib inimkonna ajalugu kirjeldada kui muutust kasutatud materjalides. Tsivilisatsiooni ajaloo ajastud nimetati materjalide järgi: kivi-, pronksi- ja rauaaeg. Võib-olla nimetatakse praegust ajastut komposiitmaterjalide sajandiks. Arenenud riikides on materjaliteadus koos infotehnoloogia ja biotehnoloogiaga teadmiste valdkonna esikolmikus.

Iga tehnoloogiaharu seab oma arenedes materjalidele üha mitmekesisemaid ja kõrgemaid nõudmisi. Näiteks satelliitide ja kosmoselaevade konstruktsioonimaterjalidel peab lisaks temperatuurile (kõrge ja ülimadal temperatuur) ja soojustsükli takistusele olema tihedus absoluutses vaakumis, vastupidavus vibratsioonile, kõrged kiirendused (kümneid tuhandeid kordi kiirendusest suuremad). gravitatsioonist), meteoriidiga pommitamist, pikaajalist kokkupuudet plasmaga, kiirgust, kaaluta olekut jne. Ainult mitmest järsult erinevate omadustega komponendist koosnevad komposiitmaterjalid suudavad rahuldada selliseid vastandlikke nõudeid.

Suurenenud kuumakindlusega kihiline intermetalliline komposiit

Ülijuhtiv kiudkomposiit

Kulumiskindel dispersioontugevdatud komposiitmaterjal

Nanotehnoloogiate (kaasaegse materjaliteaduse üks osadest) areng määrab enamiku ekspertide prognooside kohaselt 21. sajandi näo. Seda kinnitab nelja Nobeli keemia- ja füüsikaauhinna väljaandmine viimase 15 aasta jooksul: süsiniku uute vormide – fullereenide (1996) ja grafeeni (2010) – avastamise eest, pooljuhttehnoloogia ja integraallülituste valdkonna arenduste eest. (2000), optilised pooljuhtandurid (2009). Venemaa on nanotehnoloogiasse tehtavate investeeringute poolest maailmas teisel kohal, jäädes alla ainult USA-le (2011. aastal ulatusid investeeringud umbes 2 miljardi dollarini). Praegu on teaduses tõeline uute materjalide buum. Sellega seoses on materjaliteadlased nõutud paljudes tööstusharudes: tuumaenergeetikas, meditsiinis, naftatootmises, autotööstuses, lennunduses, kosmose-, kaitse-, energiatööstuses, tippsporditööstuses, uurimisinstituutides ja uuenduslikes teadusmahukaid tooteid tootvates ettevõtetes.

Komposiitmaterjalidest valmistatud Sukhoi Superjet 100 osad ja koostud

Grafeenil põhinevad paindlikud ekraanid

Kaasaegne komposiitmaterjalidest spordivarustus

Materjaliteadlased tegelevad orgaanilise ja anorgaanilise loodusega materjalide arendamise, uurimise ja modifitseerimisega erinevatel eesmärkidel; nende tootmisprotsessid, struktuuri kujunemine, ümberkujundamine tootmise, töötlemise ja käitamisetappides; materjalide töökindluse ja efektiivsuse küsimused; osade ja sõlmede käitumise arvutisimuleerimine erinevat tüüpi koormustel; osutada tehnilist tuge erinevatele tootmisosakondadele sõlmede ja seadmete komponentide valmistamise materjalidega seotud küsimustes, osaleda ettevõtte potentsiaalsete tarnijate valikul ja hindamisel.

VolgGTU materjaliteaduse suuna lõpetajad on nõutud suurtes ettevõtetes ja ettevõtetes: OJSC "VgAZ-SUALi filiaal SUAL", LLC "LUKOIL - Volgogradneftepererabotka", OJSC "VNIKTIneftekhimoborudovaniye", OJSC "Volgogradneftemash", JSC "TsKB" "Titan", OJSC "Neftezavodmontazh", JSC VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 ja paljud teised.

Diplomeeritud bakalaureuse- ja magistrite koolitus toimub suuna "Materjaliteadus ja materjalitehnoloogia" raames kl.

Avaleht > Dokument

VENEMAA FÖDERATSIOONI HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM

Riiklik õppeasutus

erialane kõrgharidus

"Ivanovo Riiklik Tekstiiliakadeemia"

Füüsika ja nanotehnoloogia osakond

		KINNITA Õppeprorektor V. V. Ljubimtsev "_____" _______________________ 2011

Nanomaterjalide ja nanosüsteemide materjaliteadus

Kood, valmistamise suund	152200 Nanotehnika

Treeningu profiil	Nanomaterjalid

Tsükkel, kood	Matemaatika ja loodusteadus (B.3.1-3a)

Semester(id)

Lõpetaja kvalifikatsioon (kraad).	poissmees

Õppevorm	täiskohaga

õppejõud	moetööstus

Ivanovo 2011

Distsipliini "Nanomaterjalide ja nanosüsteemide materjaliteadus" õppimise tulemusena peaksid õpilased: tean: - nanodispersioonide pulbri, fullereeni nanostruktuuriga tahkete, vedelate ja geelitaoliste materjalide, nanosuuruses elementide ja esemete, nanosüsteemide (heterostruktuuride) omadused ja rakendused; nanotehnoloogiate põhialused nanomaterjalide saamiseks; nanotehnoloogiate põhialused nanostruktureeritud ja gradientkõvastuvate, kaitse- ja funktsionaalsete kihtide ja katete saamiseks; komposiitmaterjalide sünteesi tehnoloogiliste protsesside alused; suutma: - valida nanostruktuurid ja nende valmistamise meetodid kindlaksmääratud omadustega nanoobjektide realiseerimiseks elektriliste, optiliste, magnetiliste, soojus- ja mehaaniliste signaalide muundamise spetsiifiliste nõuete jaoks; - kasutada põhimõisteid ja definitsioone süvateadmiste kujundamisel nanoinseneri valdkonnas; - analüüsida nanotoodete ja nanotehnoloogiate omadusi; koostada nanotehnoloogiliste protsesside tehnoloogiliste seadmete ja seadmete diagramme. oma: - oskused nanotehnika valdkonna teadmiste kujundamise probleemide lahendamisel. Distsipliini tööprogramm näeb ette järgmist tüüpi haridustööd:

Õppetöö liik	Tunnid kokku/krediiti	Semestri number
Õppetöö liik	Tunnid kokku/krediiti
Klassiruumi tegevused (kokku)
Kaasa arvatud:

Praktilised tunnid (seminarid)
Iseseisev töö (kokku)
Ettevalmistus praktilisteks tundideks (seminarideks)
Iseseisvale õppele esitatav teoreetiliste küsimuste õpe
Ettevalmistus testiks
Kesktaseme tunnistuse tüüp (test, eksam)
Tööjõu intensiivsus kokku: tundi krediiti

Distsipliin sisaldab järgmisi jaotisi:

Nanomaterjalide tekkelugu, nende arendamise ja praktikas rakendamise dünaamika.

Nanostruktureeritud materjalide põhimõisted ja klassifikatsioon.

Nanomõõtmeliste süsteemide omaduste ja põhitüüpide tunnused.

Nanomaterjalide ja nendel põhinevate toodete tootmise, töötlemise ja muutmise tehnoloogilised protsessid.

Osakonna juhataja

A.K. Izgorodin

Õpetaja-arendaja

Nanotehnoloogia, materjaliteaduse ja mehaanika osakond loodi 2011. aasta detsembris TSU Füüsika ja Tehnoloogia Instituudi kahe osakonna baasil ning sellel on sügavad ajaloolised juured. Osakonna loomisel olid maailmatasemel teadlased, professorid M.A. Krishtal, G.F. Lepin ja E.A. Mamontov, kes andis tohutu panuse füüsikalise materjaliteaduse teadusesse ja lõi ülikoolis materjaliteaduse uurimisbaasi aluse.

jaotis "Mehaanika"; baasosakond "Nanomaterjalid" (I.P. Bardini nimeline Moskva, TsNIIchermet), teadus- ja hariduskeskus "Füüsikaline materjaliteadus ja nanotehnoloogiad";

Rohkem kui 20 kaasaegset, hästi varustatud õppe- ja uurimislaborit elektronide, laserite, aatomjõumikroskoopia, füüsikaliste ja mehaaniliste katsete, röntgendifraktsioonianalüüsi, metallograafia ja akustilise emissiooni jms jaoks, millest kolm on akrediteeritud Rostekhnadzori süsteemides ja analüütilised laborid (SAAL );

Rahvusvaheline kool "Füüsikaline materjaliteadus"

Koostöö juhtivate Venemaa ja välismaiste teaduskoolidega, sh Saksamaa (Freibergi), Jaapani (Osako, Kyoto), Austraalia (Melbourne) jne ülikoolidega.

Kõik abituriendid tegelevad viljaka uurimistööga ning saavad igal aastal teadustööde ja diplomitööde konkursside laureaatideks ja laureaatideks. Peaaegu 100% osakonna lõpetajatest on tööl, kellest 80% töötab oma erialal PJSC AVTOVAZ uurimiskeskuses ja laboratoorsete katsete osakonnas, Samara piirkondliku innovatsiooni- ja tehnoloogiakeskuse laborites ning ekspertorganisatsioonides.

Osakonnajuhataja kt

professor, tehnikateaduste doktor

KlevtsovGennadi Vsevolodovitš

Treeningvaldkonnad

Bakalaureuseõppe:
- 22.03.01 Materjaliteadus ja materjalitehnoloogia (profiil "Kaasaegsed materjalid ja tehnoloogiad nende valmistamiseks")

Magistrikraad:
– 22.04.01 Materjaliteadus ja materjalitehnoloogia

(profiil "Täiustatud materjalide projekteerimine ja materjalide käitumise diagnostika toodetes")

PhD:
– 03.06.01 Füüsika ja astronoomia

(profiil "Kondenseeritud aine füüsika")

– 22.06.01 Materjalitehnoloogia (profiil “Metalliteadus ning metallide ja sulamite kuumtöötlus”)

Haridusprogrammi eesmärgid 22.04.01 Materjaliteadus ja -tehnoloogia (Täiustatud materjalide projekteerimine ja materjalide käitumise diagnostika toodetes):

C 1. Lõpetaja ettevalmistamine teadustööks kaasaegse materjaliteaduse valdkonnas.

C2. Lõpetaja ettevalmistamine uute materjalide loomiseks, nende omaduste uurimiseks, nende tootmise tehnoloogia arendamiseks.

C3. Lõpetaja ettevalmistamine soovitud omadustega materjalide projekteerimiseks.

C 4. Lõpetaja ettevalmistamine tootmis- ja tehnoloogiliseks tegevuseks, mis tagab maailmatasemel nõutud uute kõrgtehnoloogiliste arenduste kasutuselevõtu.

Distsipliinid

Nanotehnoloogia, materjaliteaduse ja mehaanika osakonna õppejõud viivad läbi tunde järgmistel erialadel:

– teoreetiline mehaanika;

– materjalide tugevus;

– Masinate ja mehhanismide teooria;

- Masinaosad;

- materjaliteadus;

– Konstruktsioonimaterjalide tehnoloogia;

– nanotehnoloogiad tootmises ja ökoloogias;

– nanotehnoloogiate füüsikalised ja keemilised alused;

– nanomaterjalide ja nanosüsteemide materjaliteadus;

– kondenseeritud oleku füüsika;

– faaside tasakaalud ja struktuuri kujunemine;

– füüsikaline materjaliteadus;

– sulamite ja komposiitide tugevus;

– uued tehnoloogiad ja materjalid;

– konstruktsioonimaterjalide karastamise meetodid;

– Mittepurustavad uurimismeetodid jne.