Praca Magisterska.doc

(29886 KB) Pobierz
Uniwersytet Rzeszowski

 



Uniwersytet Rzeszowski

Wydział Matematyczno – Przyrodniczy

Instytut Techniki

Zakład Materiałoznawstwa

 

 

 

 

 

 

 

Praca magisterska

 

 

 

 

 

 

 

 

Mirosław Osetek

 

 

 

NANOMATERIAŁY- WYTWARZANIE,

WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIE NANORUREK

 

 

 

             

 

 

 

 

 

 

 

Promotor pracy

Prof. zw. dr hab. inż. Andrzej Bylica

 

 

 

 

 

 

Rzeszów 2007

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Serdeczne podziękowania Panu

Prof. zw. dr hab. inż. Andrzejowi Bylicy

za życzliwa pomoc podczas wykonywania niniejszej pracy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SPIS TREŚCI

 

WSTĘP              4

1. NANOMATERIAŁY              5

1.1. Budowa i charakterystyka nanomateriałów              6

1.2.  Metody otrzymywania nanomateriałów              11

1.2.1. Mechaniczna synteza              11

1.2.2. Metoda nawodorowywania              17

1.2.3. Metoda ZOL-ŻEL              17

1.2.4. Metody chemiczne              18

1.2.5. Osadzanie z fazy gazowej              19

1.2.6. Fizyczne i chemiczne osadzanie z fazy gazowej              20

1.2.7. Szybkie chłodzenie z cieczy              23

1.2.8. Metody konsolidacji nanoproszków              25

1.2.9. Metody otrzymywania nanowłókien              29

1.3.  Wybrane właściwości i zastosowania nanomateriałów              32

2. NANORURKI WĘGLOWE              45

2.1. Wybrane widomości o węglu              45

2.1.1.  Diament              46

2.1.2.  Grafit              48

2.1.3.  Sadza              50

2.1.4.  Fulereny              51

2.1.5.  Nanocebulki węglowe              58

2.1.6.  Nanopianka              60

2.2. Struktura nanorurek węglowych              61

2.3. Otrzymywanie nanorurek węglowych              64

2.3.1.  Metoda elektrołukowa              64

2.3.2.  Metoda CVD              69

2.3.3.  Metoda laserowa              73

2.3.4.  Inne metody otrzymywania nanorurek              75

2.4. Oczyszczanie nanorurek węglowych              78

2.5. Modele wzrostu nanorurek              79

2.6. Właściwości nanorurek              81

2.6.1.  Własności mechaniczne              81

2.6.2.  Własności elektronowe              81

2.6.3.  Inne właściwości              83

2.7. Zastosowanie nanorurek węglowych              85

2.7.1.  Nanokompozyty              85

2.7.2.  Nanorurki w elektronice              86

2.7.3.  Inne zastosowania nanorurek              90

PODSUMOWANIE              94

LITERATURA              95

 

 


94

 

 

 

WSTĘP

 

Inżynieria materiałowa, jako podstawowy czynnik rozwoju cywilizacji, zajmuje zaszczytne miejsce w historii nauki. Szybki rozwój techniki we wszystkich dziedzinach życia stawia przed tą dziedziną nauki coraz większe wymagania. W ostatnim okresie wkroczyła w nowe możliwości projektowania i wytwarzania materiałów o pożądanych właściwościach. Od kilkunastu lat obserwuje się dynamiczny rozwój nanotechnologii, nauki scalającej osiągnięcia inżynierii materiałów, chemii, fizyki, informatyki i wielu innych dyscyplin tak, aby zmienić naszą przyszłość. Jest to technologia, w której operacje prowadzone są na poziomie atomowym lub cząsteczkowym o rozmiarach poniżej 100 nm. Elementarne komponenty nanotechnologii to cegiełki materii o wymiarach odpowiadającym miliardowym częściom metra, mogą one służyć do budowy urządzeń, maszyn, nanorobotów.

Nanomateriał to substancja polikrystaliczna złożona z ziaren nie przekraczająca 100 nanometrów (1nm = 10-9 m), przynajmniej w jednym kierunku. Granica wielkości tych materiałów jest różna, zależy od właściwości użytkowych i na ogół związana jest z pojawieniem się nowych jakościowo własności po jej przekroczeniu. Dzięki rozwojowi technik badawczych można obserwować, mierzyć ich własności, a także manipulować tymi obiektami. Nanokryształami mogą być metale w czystej postaci, ich stopy, tworzywa ceramiczne, szkła. Postęp miniaturyzacji komputerów zmusza do poszukiwania coraz mniejszych
i sprawniejszych nanoukładów elektronicznych, w których znajdują zastosowanie nowe materiały wytwarzane technologią, dzięki którym można otrzymać tworzywa o składzie
i własnościach niemożliwych do uzyskania metodami znanymi dotychczas.

Czarne diamenty, bo tak nazywane są nanorurki węglowe, które zostały odkryte
w 1991 r. przez naukowca japońskiej firmy NEC (Nippon Electric Company), który
podczas badań w próbce sadzy dostrzegł „dziwne nici” o wymiarach rzędu nanometra.
Te zbudowane z węgla makrocząsteczki posiadają niezwykłe właściwości w tym najwyższą wytrzymałość na zginanie i rozciąganie oraz stabilność termiczną. Stały się powodem fantastycznych zapowiedzi skonstruowania mikroskopijnych robotów, które mogłyby
produkować każdą rzecz atom po atomie z produktów będących w ich otoczeniu,
wyprodukowania niezniszczalnych karoserii samochodów a także budynków odpornych na trzęsienie ziemi. Dzięki tym i wielu innym właściwościom w ten specyficzny sposób
ułożony węgiel ma kształt rurek o średnicy dochodzącej do ułamków nanometra,
a długości o wiele większej (rzędu mikrometra) znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i obszarach nauki.


    

 

1. NANOMATERIAŁY

 

Nanokrystaliczne metale, ceramiki i inne ciała stałe zbudowane są z tych samych atomów, co ich powszechnie występujące odmiany, ale atomy tworzą w nich skupiska
o rozmiarach rzędu nanometra a nawet mniejsze. Te skupiska to ziarna, cegiełki składające się na nanomateriały. Jednak, gdy ziarna zwykle spotykanych materiałów polikrystalicznych, liczą wiele miliardów atomów, mają średnicę od mikrometrów do milimetrów,
ziarna materiałów nanokrystalicznych nie przekraczają 100 nm i zawierają najwyżej
kilkadziesiąt tysięcy atomów. Posłużmy się następującym przykładem, aby zobrazować różnicę. Skupisko około 900 atomów o średnicy 3 nm jest prawie milion razy mniejsze od kropki na końcu tego zdania, jest równie małe jak 40-stopowy jacht w porównaniu
z Ziemią. Materiały nanokrystaliczne wykazują szereg nowych cech, bo ich maleńkie
ziarenka inaczej reagują na bodźce świetlne, elektryczne czy też na naprężenia mechaniczne niż ziarna o rozmiarach mikrometrowych lub milimetrowych. Nanomateriały są bardzo interesujące dla dużych koncernów, producentów, ponieważ możliwość dobierania
wytrzymałości, barwy czy plastyczności jest bardzo prosta i zależy głównie od wielkości ziaren składających się na nie.

Do ważniejszych rodzajów nanomateriałów można zaliczyć [3]:

a)      nanomateriały metaliczne:

- stopy,

- kompozyty metal-metal, 

- kompozyty metal-ceramika.

b)     nanomateriały ceramiczne i szklano-ceramiczne,

c)      nanomateriały dla elektroniki,

d)     funkcjonalne materiały gradientowe,

e)      nanomateriały polimerowe,

f)       nanometryczne biomateriały do zastosowań medycznych,

g)     nanorurki,

h)     nanomateriały magnetyczne,

i)...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin