Матеріалознавство та технології наноматеріалів наносистем. Нанотехнології, матеріалознавство та механіка

Рекомендовано до видання Інститутом металургії та матеріалознавства (ІМЕТ) ім. А.А. Байкова РАН (лабораторія фізикохімії та технології покриттів - зав. лаб. В.І. Каліта, д.т.н., професор) та Санкт-Петербурзьким інженерно-економічним університетом (кафедра інженерно-технічних наук - зав. каф. В.К. Федюкін, д.т.н., професор, член-кор.Міжнародної академії вищої школи) як навчальний посібник для студентів вузів, які навчаються за технологічними напрямками підготовки як частина курсу «Сучасні технології та матеріали з галузей промисловості».

Отримано Гриф УМО з ПВО № 04-01 (Допущено Навчально-методичним об'єднанням з професійно-педагогічної освіти як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів).

Науково-технічний прогрес у сфері високих технологій – у матеріалознавстві, електроніці, мікромеханіці, медицині та інших галузях діяльності людини пов'язаний з результатами фундаментальних та прикладних досліджень, конструювання та практичного використання структур, матеріалів та пристроїв, елементи яких мають розміри у нанометровому діапазоні (1 нм = 10-9м), та розвитком технологій їх виготовлення (нанотехнологій) та методів діагностики. Об'єктами нанотехнології у матеріалознавстві є дисперсні матеріали, плівки та нанокристалічні матеріали.

Мета посібника – ознайомити студентів та спеціалістів з новим ефективним напрямком розвитку науки і техніки в галузі наноматеріалів та нанотехнологій, зокрема, синтезу нанокристалічних конструкційних матеріалів, що володіють унікальними властивостями та прикладами їх використання у промисловості.

У посібнику розглянуті теоретичні та технологічні основи, проблеми та перспективи нанонауки та наноіндустрії. Запропоновано визначення основних понять нанонауки. Систематизовано дані про наноматеріали та наноструктури, дана їх класифікація. Описано методи досліджень та конструювання наноструктур. Дано аналіз методів синтезу наноструктурованих матеріалів та ряду прикладів їх застосування у традиційних та нових технологіях у різних галузях виробництва. Розглянуто особливості зміни фізичних, механічних та технологічних властивостей конструкційних та функціональних наноматеріалів.

Навчальний посібник розроблено для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за різними спеціальностями, що вивчають курси матеріалознавства та технології конструкційних матеріалів. Може бути корисна аспірантам, спеціалістам та науковцям, які займаються питаннями наноматеріалів та нанотехнологій.

Структура навчального посібника:

Вступ.

Глава 1. Основи та аспекти розвитку науки про наноматеріали та нанотехнології.

Глава 2. Наноматеріали та наноструктури.

Глава 3. Методи вивчення та конструювання наноструктур.

Глава 4. Технології отримання наноструктурованих матеріалів та виготовлення наноизделий.

Глава 5. Механічні властивості наноматеріалів.

Висновок.

Бібліографічний список.

Перелік термінів.

Додаток: Спеціалізована виставка нанотехнологій та наноматеріалів.

Бібліографічне посилання

Забєлін С.Ф., Алимова М.І. МАТЕРІАЛОВЕДЕННЯ І ТЕХНОЛОГІЯ НАНОСТРУКТУРОВАНИХ МАТЕРІАЛІВ (Навчальний посібник) // Міжнародний журнал експериментальної освіти. - 2015. - № 1. - С. 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (дата звернення: 17.09.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Модель вуглецевої нанотрубки

Кінець одного і початок наступного року – особливий час, коли людство відвідує бажання проаналізувати минуле та замислитися над тим, що попереду. І на початку нового року ми хочемо зробити огляд 10 найважливіших досягнень у нанотехнологіях з початку їх розвитку, що стосуються матеріалознавства.

Так починає свою публікацію в післяноворічному випуску журналу Materials Today Дж.Вуд (J.Wood), один з його редакторів, запитуючи, які події останніх 50 років визначили сьогоднішню високу динаміку розвитку матеріалознавства. Вуд виділяє 10 подій (не включаючи сюди відкриття високотемпературної надпровідності, очевидно, як подія, значуща більше для фізиків, ніж для матеріалознавців).

На першому місці– «Міжнародна маршрутна карта для напівпровідників» (International Technology Roadmap for Semiconductors – ITRS), не наукове відкриття, а, власне, документ (аналітичний огляд), складений великою міжнародною групою експертів (1994 р. до складання Карти залучали понад 400 технологів, а у 2007 р. – вже понад 1200 спеціалістів від промисловості, з національних лабораторій та академічних орнізацій). Об'єднавши науку, технологію та економіку, Карта встановлює цілі, досяжні в заданий період часу, та найкращі шляхи руху до них. Фінальний звіт (у 2007 р. він містить 18 розділів та 1000 сторінок тексту) – це результат консенсунсу між переважно експертів, досягнутий після тривалих дискусій. З подібною проблемою зіштовхнулися російські організатори нанодосліджень під час вибору мети нанорозробок. Вони намагаються в стислі терміни «інвентаризувати» вже «що наносить» у Росії і, закликавши поспішно створювані експертні поради, знайти оптимальний напрямок русла розвитку. Знайомство зі змістом звіту ITRS та досвід організації цих досліджень, очевидно, міг би бути корисним.

Рис. 1. Напівпровідникові дослідження на базі ITRS

Друге місце– скануюча тунельна мікроскопія – не викликає жодного подиву, адже саме цей винахід (1981 р.) послужив поштовхом до нанодосліджених та нанотехнологій.

Третє місце- ефект гігантського магнітоопору в багатошарових структурах з магнітних і немагнітних матеріалів (1988 р.), на його основі створені зчитувальні голівки для жорстких дисків, якими сьогодні оснащені всі персональні комп'ютери.

Четверте місце– напівпровідникові лазери та світлодіоди на GaAs (перша розробка датується 1962 р.), основні компоненти телекомунікаційних систем, CD та DVD плеєрів, лазерних принтерів.

П'яте місце– знову належить не до наукового відкриття, а до грамотно організованого у 2000 р. заходу щодо просування масованих перспективних наукових досліджень – т.зв. "Національна нанотехнологічна ініціатива" США. Наука всього світу тепер багатьом завдячує ентузіастам цієї ініціативи – тодішньому президентові Б. Клінтону та д-ру М. Роко (Mihail C. Roco) із Національного наукового фонду США. Загальносвітовий обсяг фінансування нанодосліджень у 2007 р. перевищив 12 млрд. дол. Відповідні наукові програми запущені у 60 (!) країнах світу. До речі, трохи незрозуміла позиція деяких російських учених, незадоволених «нанопургою» [наприклад, 2], адже саме ця пурга змусила російський уряд нарешті обернутися обличчям до науки.

Рис. 2. Велосипед, армований нановолокнами

Шосте місце- Пластмаси, армовані вуглецевими волокнами. Композитні матеріали – легкі та міцні – перетворили багато галузей: авіабудування, космічні технології, транспорт, пакувальні матеріали, спортивне спорядження.

Сьоме місце– матеріали для літієвих іонних батарей. Важко уявити, що ще недавно ми обходилися без лаптопів і мобільних телефонів. Ця «мобільна революція» була б неможлива без переходу від батарейок, які використовують водні електроліти, до більш енергоємних літієвих іонних батарейок (катод – LiCoO__2__ або LiFeO__4__, анод – вуглецевий).

Восьме місце– вуглецеві нанотрубки (1991 р.), їх відкриття передувало щонайменше сенсаційне відкриття 1985 р. фулеренів C__60__. Сьогодні вражаючі, унікальні та перспективні властивості вуглецевих наноструктур знаходяться в центрі найгарячіших публікацій. Однак залишається ще багато питань до методів їхнього масового синтезу з однорідними властивостями, методами очищення та технологіями їх включення в наноприлади.

Рис. 3. Метаматеріал, що поглинає електромагнітне випромінювання

Дев'яте місце- Матеріали для м'якої друкованої літографії. У виробництві сьогоднішніх мікроелектронних приладів і схем, що запам'ятовують середовищ та інших виробів, центральне місце займають літографічні процеси, і в найближчому майбутньому альтернативи не видно. М'яка друкована літографія використовує пружний штамп полідиметилоксисилану, який можна застосовувати багаторазово. Метод можна використовувати на плоских, вигнутих і гнучких підкладках при досягнутому на сьогоднішній день роздільній здатності до 30 нм.

У розвитку цивілізації матеріали завжди грали найважливішу роль. Вчені кажуть, що історію людства можна описати як зміну матеріалів, що використовуються. Епохи історії цивілізації були названі за матеріалами: кам'яний, бронзовий та залізний віки. Можливо, нинішню епоху назвуть віком композиційних матеріалів. У розвинених країнах матеріалознавство зараховується до трьох найбільш пріоритетних галузей знань поряд з інформаційними технологіями та біотехнологією.

Кожна галузь техніки в міру свого розвитку висуває все більш різноманітні та високі вимоги до матеріалів. Наприклад, конструкційні матеріали для супутників і космічних кораблів, крім температурної (високі та наднизькі температури) і термоциклічної стійкості, повинні мати герметичність в умовах абсолютного вакууму, стійкість проти вібрації, великі прискорення (в десятки тисяч разів більше прискорення сили тяжіння), метеоритне бомбардування тривалого впливу плазми, випромінювання, невагомості тощо. Задовольнити такі суперечливі вимоги можуть лише композиційні матеріали, що складаються з декількох компонентів, що різко відрізняються за властивостями.

Шаровий інтерметалідний композит із підвищеною жароміцністю

Волокнистий композит, що має надпровідність

Зносостійкий дисперсно-зміцнений композиційний матеріал

Розвиток нанотехнологій (одного з розділів сучасного матеріалознавства), за прогнозами більшості експертів, визначить вигляд XXI століття. Підтвердженням цьому є присудження за останні 15 років чотирьох Нобелівських премій у галузі хімії та фізики: за відкриття нових форм вуглецю - фулеренів (1996 р.) та графену (2010 р.), за розробки у галузі напівпровідникової техніки та інтегральних схем (2000 р.). ), оптичних напівпровідникових сенсорів (2009 р.). Росія знаходиться на другому місці у світі за обсягом інвестицій у нанотехнології, поступаючись лише США (у 2011 році обсяг інвестицій становив близько 2 $ млрд). Нині наука переживає справжній бум нових матеріалів. У зв'язку з цим фахівці-матеріалознавці користуються попитом у багатьох галузях: в атомній енергетиці, медицині, нафтовидобувній, автомобільній, авіаційній, космічній, оборонній, енергетичній промисловостях, індустрії спорту вищих досягнень, дослідницьких інститутах, інноваційних компаніях з виробництва наукомісткої продукції.

Деталі та вузли літака Sukhoi Superjet 100, виготовлені з композиційних матеріалів.

Гнучкі дисплеї на основі графену

Сучасний спортивний інвентар, виготовлений із композиційних матеріалів

Матеріалознавці займаються розробкою, дослідженням та модифікацією матеріалів органічної та неорганічної природи різного призначення; процесів їх отримання, структуроутворення, перетворення на стадіях одержання, обробки та експлуатації; питаннями надійності та ефективності матеріалів; комп'ютерним моделюванням поведінки деталей та вузлів при різних видах навантаження; забезпечують технічну підтримку різних виробничих підрозділів у питаннях, що стосуються матеріалів для виготовлення вузлів та компонентів обладнання, беруть участь у виборі та оцінці потенційних постачальників компанії.

Випускники напряму «Матеріалознавство» ВолгДТУ затребувані працюють у великих компаніях та підприємствах: ВАТ «СУАЛ філія ВГАЗ-СУАЛ», ТОВ «ЛУКОЙЛ - Волгограднафтопереробка», ВАТ «ВНІКТІнафтохімобладнання», ВАТ «Волгограднафтомаш», ВАТ «ЦКБ «Ті », ВАТ «ВМК «Червоний Жовтень», ВАТ «Волзький трубний завод», ВАТ «ТК «Нафтохімгаз», ВАТ «Експертиза», ТОВ «Волгограднафтопроект», ВАТ «Каустик», ТОВ «Константа-2» та багатьох інших.

Підготовка дипломованих бакалаврів та магістрів ведеться в рамках напряму «Матеріалознавство та технології матеріалів» на

Головна > Документ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

Державний освітній заклад

вищої професійної освіти

«Іванівська державна текстильна академія»

Кафедра фізики та нанотехнологій

		ЗАТВЕРДЖУЮ Проректор по навчальній роботі В.В.Любімцев «_____»___________________2011 р.

Матеріалознавство наноматеріалів та наносистем

Код, напрям підготовки	152200 Наноінженерія

Профіль підготовки	Наноматеріали

Цикл, код	Математичний та природничо-науковий (Б.3.1-3а)

Семестр(и)

Кваліфікація (ступінь) випускника	бакалавр

Форма навчання	очна

Факультет	індустрія моди

Іваново 2011

В результаті вивчення дисципліни «Матеріалознавство наноматеріалів та наносистем» учні повинні: знати: - властивості та галузі застосування нанодисперсних порошкових, фулеренових наноструктурних твердих, рідких та гель-подібних матеріалів, нанорозмірних елементів та об'єктів, наносистем (гетероструктур); основи нанотехнологій одержання наноматеріалів; основи нанотехнологій отримання наноструктурних та градієнтних зміцнювальних, захисних та функціональних шарів та покриттів; основи технологічних процесів синтезу композитних матеріалів; вміти: - підбирати наноструктури та методи їх виробництва для реалізації нанооб'єктів із заданими характеристиками під конкретні вимоги перетворення електричних, оптичних, магнітних, теплових та механічних сигналів; - використовувати основні поняття та визначення при формуванні поглиблених знань у сфері наноінженерії; - аналізувати особливості нанопродуктів та нанотехнологій; складати схеми технологічного обладнання та приладів для нанотехнологічних процесів. володіти: - навичками у вирішенні завдань формування знань у сфері наноінженерії. Робочою програмою дисципліни передбачені такі види навчальної роботи:

Вид навчальної роботи	Всього годин/залікових одиниць	Номер семестру
Вид навчальної роботи	Всього годин/залікових одиниць
Аудиторні заняття (всього)
В тому числі:

Практичні заняття (семінари)
Самостійна робота (всього)
Підготовка до практичних занять (семінарів)
Вивчення теоретичних питань, винесених на самостійне вивчення
Підготовка до заліку
Вид проміжної атестації (залік, іспит)
Загальна трудомісткість: годинник залікові одиниці

Дисципліна включає такі розділи:

Історія появи наноматеріалів, динаміка їх розвитку та впровадження у практику.

Основні поняття та класифікація наноструктурованих матеріалів.

Особливості властивостей та основні види нанорозмірних систем.

Технологічні процеси виробництва, обробки та модифікації наноматеріалів та виробів на їх основі.

Завідуючий кафедри

А.К. Ізгородін

Викладач-розробник

Кафедра «Нанотехнології, матеріалознавство та механіка» створена в грудні 2011 року на базі двох кафедр фізико-технічного інституту ТГУ та має глибоке історичне коріння. Біля джерел кафедри стояли вчені світового масштабу, професора М.А. Криштал, Г.Ф. Лепін та Є.А. Мамонтов, які зробили величезний внесок у науку про фізичне матеріалознавство та створили фундамент науково-дослідної бази матеріалознавчого спрямування в університеті.

Секція "Механіка"; базова кафедра «Наноматеріали» (Москва, ЦНДІчермет ім. І.П. Бардіна), науково-освітній центр «Фізичне матеріалознавство та нанотехнології»;

Більше 20 сучасних, добре оснащених навчально- та науково-дослідних лабораторій електронної, лазерної, атомно-силової мікроскопії, фізико-механічних випробувань, рентгеноструктурного аналізу, металографії та акустичної емісії та ін., три з яких акредитовані в системах Ростехнадзору );

Міжнародна школа «Фізичне матеріалознавство»

Співпраця з провідними російськими та зарубіжними науковими школами, у тому числі з університетами Німеччини (Фрайберг), Японії (Осако, Кіото), Австралії (Мельбурн) та ін.

Усі студенти-старокурсники займаються плідною науково-дослідною роботою та щорічно стають переможцями та лауреатами конкурсів наукових робіт та дипломних проектів. Майже 100% випускників кафедри працевлаштовано, з них 80% працюють за спеціальністю у дослідному центрі та управлінні лабораторно-випробувальних робіт ПАТ «АВТОВАЗ», лабораторіях Самарського регіонального інноваційно-технологічного центру, а також в експертних організаціях.

Виконувач обов'язків завідувача кафедри

професор, доктор технічних наук

КлівцовГеннадій Всеволодович

Напрями підготовки

Бакалаврат:
– 22.03.01 Матеріалознавство та технології матеріалів (профіль «Сучасні матеріали та технології їх виробництва»)

Майстер:
– 22.04.01 Матеріалознавство та технології матеріалів

(профіль «Інжиніринг перспективних матеріалів та діагностика поведінки матеріалів у виробах»)

Аспірантура:
– 03.06.01 Фізика та астрономія

(Профіль «Фізика конденсованого стану»)

– 22.06.01 Технології матеріалів (профіль «Металознавство та термічна обробка металів та сплавів»)

Цілі освітньої програми 22.04.01 Матеріалознавство та технології матеріалів (Інжиніринг перспективних матеріалів та діагностика поведінки матеріалів у виробах):

Ц 1. Підготовка випускника до науково-дослідної роботи у галузі сучасного матеріалознавства.

Ц2. Підготовка випускника до створення нових матеріалів, дослідження їх властивостей, розробка технології їх отримання.

Ц3. Підготовка випускника до конструювання матеріалів із заданими властивостями.

Ц4. Підготовка випускника до виробничо-технологічної діяльності, що забезпечує впровадження в експлуатацію нових наукомістких розробок, потрібних на світовому рівні.

Дисципліни

Викладачі кафедри «Нанотехнології, матеріалознавство та механіка» ведуть заняття з таких дисциплін:

- Теоретична механіка;

- Опір матеріалів;

- Теорія машин та механізмів;

- Деталі машин;

- Матеріалознавство;

- технологія конструкційних матеріалів;

– Нанотехнології у виробництві та екології;

- фізико-хімічні основи нанотехнологій;

- Матеріалознавство наноматеріалів та наносистем;

- фізика конденсованого стану;

- Фазові рівноваги та структуроутворення;

- Фізичне матеріалознавство;

- Міцність сплавів та композитів;

– Нові технології та матеріали;

- методи зміцнення конструкційних матеріалів;

- Неруйнівні методи дослідження та ін.