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)...
monikapiotr21