Tématické místnosti. Nanotechnologie: Uhlíkové nanotrubice

Práškové uhlíkové materiály (grafity, uhlíky, saze, CNT, grafeny) jsou široce používány jako funkční plniva pro různé materiály a elektrické vlastnosti kompozitů s uhlíkovými plnidly jsou dány strukturou a vlastnostmi uhlíku a také technologií pro jejich produkce. CNT jsou práškový materiál vyrobený z rámových struktur alotropní formy uhlíku ve formě dutých vícestěnných CNT o vnějším průměru 10–100 nm (obr. 1). Jak je známo, elektrický odpor (ρ, Ohm∙m) CNT závisí na způsobu jejich syntézy a čištění a může se pohybovat od 5∙10-8 do 0,008 Ohm∙m, což je méně než
u grafitu.
Při výrobě vodivých kompozitů se do dielektrika přidávají vysoce vodivé materiály (kovové prášky, saze, grafit, uhlíková a kovová vlákna). To umožňuje měnit elektrickou vodivost a dielektrické charakteristiky polymerních kompozitů.
Tato studie byla provedena za účelem zjištění možnosti změny elektrického odporu CNT prostřednictvím jejich modifikace. Tím se rozšíří použití takových trubic jako plniva pro polymerní kompozity s plánovanou elektrickou vodivostí. V práci byly použity vzorky prášků CNT vyrobených společností ALIT-ISM (Žytomir, Kyjev) a prášků CNT podrobených chemické modifikaci. Pro porovnání elektrických charakteristik uhlíkových materiálů jsme použili vzorky CNT "Taunit" (Tambov), syntetizované podle TU 2166-001-02069289-2007, CNT LLC "TMSpetsmash" (Kyjev), vyrobené podle TU U 24.1-03291669 -009:2009, kelímkový grafit . CNT vyráběné společnostmi ALIT-ISM a Taunit jsou syntetizovány metodou CVD na katalyzátoru NiO/MgO a CNT společnosti TMSpetsmash LLC jsou syntetizovány na katalyzátoru FeO/NiO (obr. 2). Ve studii byly za stejných podmínek a za použití stejných vyvinutých metod stanoveny elektrické charakteristiky vzorků uhlíkových materiálů. Elektrický odpor vzorků byl vypočítán stanovením charakteristik proudového napětí vzorku suchého prášku lisovaného při tlaku 50 kG (tabulka 1).
Modifikace CNT (č. 1–4) ukázala možnost změny elektrofyzikálních charakteristik CNT pomocí fyzikálně-chemických vlivů (viz tabulka 1). Zejména elektrický odpor původního vzorku byl snížen 1,5krát (č. 1); a u vzorků č. 2–4 – zvýšení 1,5–3krát.
Zároveň se snížilo celkové množství nečistot (podíl ve formě nespalitelného zbytku) z r.
2,21 (původní CNT) na 1,8 % pro
vzorek č. 1 a až 0,5 % pro č. 3. Specifická magnetická susceptibilita vzorků č. 2–4 se snížila ze 127∙10-8 na 3,9∙10-8 m3/kg. Specifický povrch všech vzorků se zvýšil téměř o 40 %. Mezi modifikovanými CNT byl u vzorku č. 1 zaznamenán minimální elektrický odpor (574∙10-6 Ohm∙m), který se blíží odporu kelímkového grafitu (33∙10-6 Ohm∙m). Z hlediska specifické odolnosti jsou vzorky CNT od Taunit a TMSpetsmash LLC srovnatelné se vzorky č. 2, 3 a specifická magnetická susceptibilita těchto vzorků je řádově vyšší než u modifikovaných vzorků CNT (ALIT-ISM).
Bylo zjištěno, že elektrický odpor CNT se může měnit od 6∙10-4 do
12∙10-4 Ohm∙m. Specifikace byly vyvinuty pro použití modifikovaných CNT při výrobě kompozitních a polykrystalických materiálů, povlaků, plniv, suspenzí, past a dalších podobných materiálů
TU U 24.1-05417377-231:2011 "Nanoprášky vícestěnných CNT jakostí MWCNT-A",
MUN-V (MWCNT-B), MUN-S (MWCNT-S)"
(Tabulka 2).
Když se modifikované prášky CNT zavedou do polyethylenového základu kompozitů jako plnivo, elektrická vodivost polymerního kompozitu se zvýší se zvýšením jejich elektrické vodivosti. V důsledku cílené modifikace CNT se tak otevírá možnost měnit jejich charakteristiky, zejména elektrický odpor.
Literatura
1. Tkachev A.G., Zolotukhin I.V. Zařízení a metody pro syntézu pevných nanostruktur. – M.: Mashinostroenie-1, 2007.
2. Bogatyreva G.P., Marinich M.A., Bazaliy G.A., Ilnitskaya G.D., Kozina G.K., Frolova L.A. Studium vlivu chemické úpravy na fyzikálně-chemické vlastnosti uhlíkových nanotrubic. So. vědecký tr. "Fullereny a nanostruktury v kondenzované hmotě." / Ed.
P.A. Vityaz. – Minsk: Státní vědecká instituce „Institut přenosu tepla a hmoty“
vyměnit je A.V. Lykova" NAS Běloruska, 2011, s. 141–146.
3. Novak D.S., Berezenko N.M., Šostak T.S., Pakharenko V.O., Bogatyreva G.P., Oleynik N.A., Bazaliy G.A. Elektricky vodivé nanokompozity na bázi polyethylenu. So. vědecký tr. "Skalní řezné a kovoobráběcí nástroje - zařízení a technologie pro jejich výrobu a použití." – Kyjev: ISM
jim. V.N.Bakulya NAS Ukrajiny, 2011, číslo 14, s.394–398.

Práškové uhlíkové materiály (grafit, uhlí, saze, CNT, grafen) jsou široce používány jako funkční plniva různých materiálů a elektrické vlastnosti kompozitů s uhlíkovými plnidly jsou určeny strukturou a vlastnostmi uhlíku a technologií výroby. CNT jsou práškovým materiálem rámových struktur alotropní formy uhlíku ve formě dutých vícestěnných CNT s vnějším průměrem 10 až 100 nm (obr.1a,b). Je známo, že elektrický odpor (ρ, Ohm∙m) CNT závisí na způsobu jejich syntézy a čištění a může se pohybovat od 5∙10-8 do 0,008 Ohm∙m, což je řádově nižší hodnota než u grafitu.
Obr. 1. a) – prášek CNT, b) – fragment CNT (Power Electronic Microscopy)
Při výrobě vodivých kompozitů se do dielektrik přidávají vysoce vodivé materiály (kovové prášky, technický uhlík, grafit, uhlíková a kovová vlákna). To umožňuje měnit vodivost a dielektrické vlastnosti polymerních kompozitů.
Toto šetření bylo provedeno za účelem zjištění možnosti změny specifického elektrického odporu CNT prostřednictvím jejich modifikace. Tím se rozšíří použití takových trubic jako plniva polymerních kompozitů s plánovanou elektrickou vodivostí. Při šetření byly použity vzorky výchozích prášků CNT vyrobených společností ALIT-ISM (Žytomyr, Kyjev) a prášků CNT, které byly podrobeny různým chemickým úpravám. Pro porovnání elektrofyzikálních charakteristik uhlíkových materiálů vzorků CNT "Taunit" (Tambov, Rusko) syntetizovaných pod číslem 2166-001-02069289-2007, LLC "TMSpetsmash" (Kyjev), vyrobený pod 24.1-03291669-009:2009, Ccruciblegraph vyrobené společností ALIT-ISM a „Taunit“ jsou syntetizovány metodou CVD na katalyzátoru NiO/MgO a byly použity CNT vyrobené společností LLC „TMSpetsmash“ – na katalyzátoru FeO/NiO (obr. 2).
Obr.2 a – CNT (ALIT-ISM), b – CNT „TMSpetsmash“ (PEM-images).
Výzkumy za stejných podmínek za použití stejných metod vyvinutých v ISM určily, že byly stanoveny elektrické fyzikální charakteristiky vzorků uhlíkových materiálů. Měrný elektrický odpor vzorků byl vypočten stanovením proudově-napěťové charakteristiky suchého práškového prvku lisovaného pod tlakem 50 kg. (Stůl 1).
Modifikace CNT (č. 1-4) ukázala možnost účelně měnit jejich elektrické vlastnosti pomocí fyzikálních a chemických efektů. Konkrétně byl měrný elektrický odpor původního vzorku snížen 1,5krát (č. 1) a pro č. 2 – 4 byla zvýšena 1,5-3krát.
V tomto případě bylo celkové množství nečistot (jejich svrchu ve formě nespalitelného zbytku) sníženo z 2,21 % (počáteční CNT) na 1,8 % pro č. 1 a na 0,5 % pro č. 3. Magnetická susceptibilita vzorků č. 2 – 4 byla řádově snížena. Specifický povrch všech vzorků se zvýšil téměř o 40 %. Mezi modifikovanými CNT je stanoven minimální měrný elektrický odpor (574∙10-6 Ohm∙m) pro vzorek č. 1, který se blíží takovému odporu kelímkového grafitu (337∙10-6 Ohm∙m). Specifickou odolností lze vzorky CNT "Taunit" a "TMSpetsmash" porovnat se vzorky č. 2 a č. 3 a magnetická susceptibilita těchto vzorků je řádově vyšší než u modifikovaných vzorků CNT ("Alit -ISM").
Byla tedy uvedena možnost modifikace CNT tak, aby se měnila specifická hodnota elektrického odporu CNT v rozsahu 6∙10-4÷12∙10-4Ohm∙m. Byly vyvinuty specifikace 24.1-05417377-231:2011 „Nanoprášky vícestěnných CNT jakosti MWCNTs-A, MWCNTs-B, MWCNTs-C (tabulka 2) pro modifikované CNT pro výrobu kompozitních a polykrystalických materiálů, povlaků, plniv, suspenzí , pasty a jiné podobné materiály.
Při zavádění do polyethylenové báze kompozitů jako plniva modifikovaných prášků CNT nových jakostí se zvyšující se elektrickou vodivostí CNT se zvyšuje elektrická vodivost polymerního kompozitu. V důsledku řízené modifikace CNT jsou tedy nové možnosti měnit jejich charakteristiky, zejména hodnotu elektrického odporu.
Literatura

Energetika je důležité odvětví, které hraje obrovskou roli V lidském životě. Energetická situace v zemi závisí na práci mnoha vědců v tomto odvětví. Dnes pro tyto účely hledají, jsou připraveni využít cokoli, od slunečního záření a vody až po vzduchovou energii. Zařízení, které dokáže generovat energii z okolního prostředí, je vysoce ceněno.

Obecná informace

Uhlíkové nanotrubice jsou dlouhé, válcované grafitové plochy, které mají válcový tvar. Jejich tloušťka zpravidla dosahuje několika desítek nanometrů s délkou několika centimetrů. Na konci nanotrubiček je vytvořena kulovitá hlavice, která je jednou z částí fullerenu.

Existují dva typy uhlíkových nanotrubic: kovové a polovodičové. Jejich hlavním rozdílem je proudová vodivost. První typ může vést proud při teplotě rovné 0ºС a druhý - pouze při zvýšených teplotách.

Uhlíkové nanotrubice: vlastnosti

Většina moderních oborů, jako je aplikovaná chemie nebo nanotechnologie, je spojena s nanotrubičkami, které mají strukturu uhlíkového rámu. co to je? Tato struktura se týká velkých molekul spojených navzájem pouze atomy uhlíku. Vysoce ceněné jsou uhlíkové nanotrubice, jejichž vlastnosti jsou založeny na uzavřeném obalu. Kromě toho mají tyto útvary válcový tvar. Takové trubky lze získat svinutím grafitové fólie nebo vypěstováním ze specifického katalyzátoru. Uhlíkové nanotrubice, jejichž fotografie jsou uvedeny níže, mají neobvyklou strukturu.

Oni jsou různé formy a velikosti: jednovrstvé a vícevrstvé, rovné a zakřivené. Navzdory tomu, že nanotrubičky vypadají docela křehce, jsou pevným materiálem. V důsledku mnoha studií bylo zjištěno, že mají vlastnosti, jako je natahování a ohýbání. Pod vlivem vážného mechanického zatížení se prvky neroztrhnou ani nerozbijí, to znamená, že se mohou přizpůsobit různým napětím.

Toxicita

V důsledku četných studií bylo zjištěno, že uhlíkové nanotrubice mohou způsobovat stejné problémy jako azbestová vlákna, to znamená, že se vyskytují různé zhoubné nádory a také rakovina plic. Míra negativního vlivu azbestu závisí na typu a tloušťce jeho vláken. Vzhledem k tomu, že uhlíkové nanotrubice mají malou hmotnost a velikost, snadno se dostávají do lidského těla spolu se vzduchem. Dále vstupují do pohrudnice a vstupují do hrudníku a časem způsobují různé komplikace. Vědci provedli experiment a přidali částice nanotrubiček do potravy myší. Výrobky malého průměru v těle prakticky nezůstávaly, ale větší se zaryly do stěn žaludku a způsobily různé nemoci.

Způsoby příjmu

Dnes existují následující metody výroby uhlíkových nanotrubic: obloukový náboj, ablace, depozice par.

Výboj elektrickým obloukem. Získání (uhlíkové nanotrubice jsou popsány v tomto článku) elektrického náboje v plazmatu, který hoří pomocí helia. Tento proces lze provádět pomocí speciálního technického zařízení pro výrobu fullerenů. Ale tato metoda používá jiné režimy vypalování oblouku. Například se redukuje a používají se i katody obrovské tloušťky. Pro vytvoření atmosféry helia je nutné zvýšit tlak tohoto chemického prvku. Uhlíkové nanotrubice se vyrábějí naprašováním. Aby se jejich počet zvýšil, je nutné zavést do grafitové tyče katalyzátor. Nejčastěji se jedná o směs různých kovových skupin. Dále se změní tlak a způsob postřiku. Tak se získá katodové ložisko, kde se tvoří uhlíkové nanotrubice. Hotové produkty rostou kolmo ke katodě a jsou shromažďovány do svazků. Jsou dlouhé 40 mikronů.

Ablace. Tuto metodu vynalezl Richard Smalley. Jeho podstatou je odpařování různých grafitových povrchů v reaktoru pracujícím při vysoké teploty Ach. Uhlíkové nanotrubice vznikají odpařováním grafitu na dně reaktoru.

Jsou ochlazovány a shromažďovány pomocí chladicí plochy. Pokud v prvním případě byl počet prvků roven 60 %, pak se touto metodou číslo zvýšilo o 10 %. Náklady na metodu laserové absoluce jsou dražší než všechny ostatní. Jednostěnné nanotrubice se zpravidla získávají změnou reakční teploty.

Depozice par. Metoda nanášení uhlíkových par byla vynalezena koncem 50. let. Nikoho ale ani nenapadlo, že by se dal použít k výrobě uhlíkových nanotrubic. Takže nejprve musíte připravit povrch s katalyzátorem. Mohou to být malé částice různých kovů, například kobalt, nikl a mnoho dalších. Z vrstvy katalyzátoru začnou vystupovat nanotrubice. Jejich tloušťka přímo závisí na velikosti katalytického kovu. Povrch se zahřeje na vysoké teploty a poté se přivede plyn obsahující uhlík. Patří mezi ně metan, acetylen, etanol atd. Amoniak slouží jako doplňkový technický plyn. Tento způsob výroby nanotrubiček je nejrozšířenější. Samotný proces probíhá v různých průmyslových podnicích, díky čemuž se na výrobu vynakládá méně finančních prostředků velké množství trubky Další výhodou této metody je, že vertikální prvky lze získat z jakýchkoli kovových částic, které slouží jako katalyzátor. Výroba (uhlíkové nanotrubičky jsou popsány ze všech stran) byla umožněna díky výzkumu Suomi Iijima, který pozoroval jejich vzhled pod mikroskopem jako výsledek syntézy uhlíku.

Hlavní typy

Uhlíkové prvky jsou klasifikovány podle počtu vrstev. Nejjednodušším typem jsou jednostěnné uhlíkové nanotrubice. Každý z nich má tloušťku přibližně 1 nm a jejich délka může být mnohem větší. Pokud vezmeme v úvahu strukturu, produkt vypadá jako obalový grafit pomocí šestihranné sítě. Na jeho vrcholech jsou atomy uhlíku. Trubice má tedy tvar válce, který nemá žádné švy. Horní část zařízení je uzavřena víčky složenými z molekul fullerenu.

Dalším typem jsou vícestěnné uhlíkové nanotrubice. Skládají se z několika vrstev grafitu, které jsou složeny do tvaru válce. Mezi nimi je udržována vzdálenost 0,34 nm. Tento typ struktury je popsán dvěma způsoby. Podle prvního jsou vícevrstvé trubky několik jednovrstvých trubek zasazených do sebe, což vypadá jako hnízdící panenka. Podle druhého jsou vícestěnné nanotrubice listem grafitu, který se několikrát ovine kolem sebe, podobně jako složené noviny.

Uhlíkové nanotrubice: aplikace

Prvky jsou zcela novým zástupcem třídy nanomateriálů.

Jak již bylo zmíněno dříve, mají strukturu rámu, která se svými vlastnostmi liší od grafitu nebo diamantu. Proto se používají mnohem častěji než jiné materiály.

Díky vlastnostem, jako je pevnost, ohyb, vodivost, se používají v mnoha oblastech:

• jako přísady do polymerů;
• katalyzátor pro osvětlovací zařízení, jakož i ploché panely a trubice v telekomunikačních sítích;
• jako absorbér elektromagnetických vln;
• pro přeměnu energie;
• výroba anod v různých typech baterií;
• skladování vodíku;
• výroba senzorů a kondenzátorů;
• výroba kompozitů a posílení jejich struktury a vlastností.

Po mnoho let se ve vědeckém výzkumu používají uhlíkové nanotrubice, jejichž aplikace se neomezují pouze na jedno konkrétní odvětví. Tento materiál má na trhu slabé postavení, neboť jsou zde problémy s velkosériovou výrobou. Ještě jeden důležitý bod je vysoká cena uhlíkových nanotrubic, která je přibližně 120 dolarů za gram takové látky.

Používají se jako základní prvek při výrobě mnoha kompozitů, ze kterých se vyrábí mnoho sportovních potřeb. Dalším odvětvím je automobilový průmysl. Funkcionalizace uhlíkových nanotrubic v této oblasti spočívá v propůjčení vodivých vlastností polymerům.

Součinitel tepelné vodivosti nanotrubic je poměrně vysoký, takže je lze použít jako chladicí zařízení pro různá masivní zařízení. Používají se také k výrobě hrotů, které jsou připevněny k trubicím sond.

Nejdůležitější aplikační oblastí je výpočetní technika. Díky nanotrubičkám vznikají zvláště ploché displeje. Pomocí nich můžete výrazně zmenšit celkové rozměry samotného počítače a také zvýšit jeho technický výkon. Hotové zařízení bude několikanásobně lepší než současné technologie. Na základě těchto studií lze vytvořit vysokonapěťové obrazovky.

Postupem času se elektronky uplatní nejen v elektronice, ale také v lékařství a energetice.

Výroba

Uhlíkové trubice, jejichž výroba je rozdělena mezi dva typy, jsou nerovnoměrně rozmístěny.

To znamená, že MWNT se vyrábí mnohem více než SWNT. Druhý typ se provádí v případě naléhavé potřeby. Uhlíkové nanotrubice neustále vyrábí různé společnosti. Ale prakticky nejsou žádané, protože jejich cena je příliš vysoká.

Vedoucí výroby

Dnes přední místo ve výrobě uhlíkových nanotrubic zaujímají asijské země, které jsou 3x vyšší než v ostatních zemích Evropy a Ameriky. Zejména Japonsko se zabývá výrobou MWNT. Ale ostatní země, jako je Korea a Čína, nejsou v tomto ukazateli v žádném případě horší.

Výroba v Rusku

Domácí produkce uhlíkových nanotrubic výrazně zaostává za ostatními zeměmi. Ve skutečnosti vše závisí na kvalitě výzkumu, který se v této oblasti provádí. Na vznik vědeckotechnických center v zemi zde není vyčleněn dostatek finančních prostředků. Mnoho lidí neakceptuje vývoj v nanotechnologii, protože nevědí, jak se dá využít v průmyslu. Přechod ekonomiky na novou cestu je proto poměrně obtížný.

Prezident Ruska proto vydal dekret, který naznačoval vývojové cesty pro různé oblasti nanotechnologií, včetně uhlíkových prvků. Pro tyto účely byl vytvořen speciální vývojový a technologický program.

Aby byla zajištěna realizace všech bodů zakázky, byla vytvořena společnost Rusnanotech. Na jeho provoz byla vyčleněna značná částka ze státního rozpočtu. Právě ona by měla řídit proces vývoje, výroby a průmyslové implementace uhlíkových nanotrubic. Vyčleněná částka půjde na vznik různých výzkumných ústavů a ​​laboratoří a posílí i dosavadní práci tuzemských vědců. Tyto prostředky budou rovněž použity na nákup kvalitního zařízení na výrobu uhlíkových nanotrubic. Rovněž stojí za to postarat se o zařízení, která budou chránit lidské zdraví, protože tento materiál způsobuje mnoho nemocí.

Jak již bylo zmíněno, celý problém spočívá ve získávání finančních prostředků. Většina investorů nechce investovat do vědeckého vývoje, zejména na dlouho. Všichni podnikatelé chtějí vidět zisky, ale vývoj nanotechnologií může trvat roky. Právě to odpuzuje zástupce malých a středních podnikatelů. Bez vládních investic navíc nebude možné plně rozjet výrobu nanomateriálů.

Dalším problémem je chybějící právní rámec, protože mezi různými úrovněmi podnikání neexistuje mezičlánek. Uhlíkové nanotrubice, po jejichž výrobě není v Rusku poptávka, proto vyžadují nejen finanční, ale i duševní investice. Ruská federace má zatím daleko k asijským zemím, které vedou ve vývoji nanotechnologií.

Dnes se vývoj v tomto odvětví provádí na chemických fakultách různých univerzit v Moskvě, Tambově, Petrohradě, Novosibirsku a Kazani. Předními výrobci uhlíkových nanotrubic jsou společnost Granat a tambovský závod Komsomolets.

Pozitivní a negativní stránky

Mezi výhody patří speciální vlastnosti uhlíkových nanotrubic. Jsou odolným materiálem, který se při mechanickém namáhání nezbortí. Navíc dobře fungují při ohýbání a natahování. To bylo možné díky uzavřené konstrukci rámu. Jejich použití není omezeno na jedno odvětví. Elektronky našly uplatnění v automobilovém průmyslu, elektronice, medicíně a energetice.

Obrovskou nevýhodou je negativní vliv na lidské zdraví.

Částice nanotrubic vstupující do lidského těla vedou k výskytu zhoubných nádorů a rakoviny.

Podstatným aspektem je financování tohoto odvětví. Mnoho lidí nechce investovat do vědy, protože dosažení zisku zabere spoustu času. A bez fungování výzkumných laboratoří je rozvoj nanotechnologií nemožný.

Závěr

Uhlíkové nanotrubice hrají důležitou roli inovativní technologie. Mnoho odborníků předpovídá růst tohoto odvětví v příštích letech. Dojde k výraznému zvýšení výrobních schopností, což povede ke snížení nákladů na zboží. S klesajícími cenami budou elektronky velmi žádané a stanou se nepostradatelným materiálem pro mnoho přístrojů a zařízení.

Zjistili jsme tedy, jaké jsou tyto produkty.

Uhlíkové nanotrubice jsou známé pro své jedinečné mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti, vhodné pro širokou škálu polymerních aplikací. Na jednotlivé konstrukci byl naměřen Youngův modul 1000 GPa a pevnost v tahu 60 GPa. Tyto ukazatele jsou o několik řádů vyšší než u běžných technických plastů. Experimentálně byla také stanovena vysoká elektrická a tepelná vodivost, jejíž hodnoty se blíží nebo překračují hodnoty kovů. Tato kombinace vlastností a formy produktu, kompatibilní s moderními technologiemi zpracování polymerů, zajišťuje tvorbu nových konstrukčních materiálů.

Komerční aplikace
Použití uhlíkových nanotrubiček k dodání antistatických a vodivých vlastností polymerům je nyní komerční praxí a rozšiřuje se do průmyslových odvětví, jako je elektronika a automobilový průmysl. Obrázek 1 ukazuje typický obrázek vodivosti technického termoplastu. Náplň pro dosažení elektrického přenosu v případě vícestěnných uhlíkových nanotrubic může být 5-10krát nižší než u vodivých sazí. Podobná srovnání provádí se v termosetových pryskyřicích, jako je epoxid, ale s výrazně nižší náplní. Tento jev lze vysvětlit teorií perkolace: dráha pro tok elektronů se vytvoří, když jsou částice velmi blízko sebe nebo dosáhly prahu perkolace. Vláknité struktury s vysokým poměrem (délka/průměr) zvyšují počet elektrických kontaktů a poskytují rovnoměrnější cestu. Geometrický poměr uhlovodíkových nanotrubiček v konečném produktu (jako jsou vstřikované díly) je obvykle větší než 100 ve srovnání s krátkými uhlíkovými vlákny (<30) и техническим углеродом (>1). To vysvětluje nižší dávkování potřebné pro daný měrný odpor. Perkolační chování se může lišit v závislosti na typu pryskyřice, viskozitě a způsobu zpracování polymeru.

Rýže. 1. Závislost elektrické vodivosti na obsahu uhlíkových plniv: uhlíkové nanotrubice, vysoce vodivé saze, standardní saze.

Snížený obsah plniva může poskytnout několik výhod, jako je lepší zpracovatelnost, vzhled povrchy, snížené tavení, zvýšená schopnost zachovat mechanické vlastnosti původního polymeru. Tyto výhody umožnily zavedení vícestěnných uhlíkových nanotrubiček do aplikací vodivých polymerů, tabulka 1. V těchto aplikacích mohou konkurovat aditivům, jako jsou vysoce vodivé saze a uhlíková vlákna na základě ceny/výkonu nebo na základě jedinečných vlastnosti, které není možné dosáhnout nebo se shodovat s specifikacemi produktu.

Tabulka 1. Komerční aplikace vodivých polymerů s vícestěnnými uhlíkovými nanotrubicemi.

Začlenění vícestěnných uhlíkových nanotrubic do plastů nebo elastomerů se opírá o relativně standardní zařízení používaná v pryžových směsích a termoplastech, jako jsou jemné šnekové extrudéry a uzavřené pryžové mixéry. Vícestěnné uhlíkové nanotrubičky Nanocyl mohou být dodávány ve formě prášku (Nanocyl® 7000) nebo termoplastických koncentrátů (PlastiCyl™).

Aplikace kompozitních materiálů pro konstrukční účely
Výjimečná síla uhlíkových nanotrubic má prospěšné aplikace při vytváření různé typy sportovní zboží na bázi kompozitních materiálů vyrobených z uhlíkových vláken a epoxidových pryskyřic. Pro usnadnění zabudování a zlepšení vazby s pojivovou fází (jako je epoxidová nebo polyuretanová) jsou uhlíkové nanotrubice typicky chemicky modifikovány na povrchu. Typické zlepšení měřené na kompozitním materiálu vyztuženém vlákny je 10 až 50 % v pevnosti a živém zatížení. Tato úroveň vyztužení může být pro daný kompozitní materiál významná, obvykle omezená vlastnostmi pryskyřice.

Nový vývoj
Síť výjimečně tenkých vodivých struktur, jako jsou uhlíkové nanotrubice, také poskytuje nové příležitosti v technologii tenkých vrstev, včetně antistatických čirých a vodivých povlaků s trvalou vodivostí, zlepšenými mechanickými vlastnostmi a zvýšenou chemickou odolností. V současné době se vyvíjejí technologie vysoce vodivých průhledných fólií, které budou v blízké budoucnosti konkurovat technologiím oxidů kovů, jako je technologie naprašování oxidu india a cínu, která se dnes používá k výrobě průhledných elektrod v plochých panelových displejích a omezenějších konstrukcích, jako jsou flexibilní displeje.
Byla vyvinuta moderní technologie výroby papíru využívající vícestěnné uhlíkové nanotrubice. Takový papír se používá k vytvoření pružnějšího povlaku tepelné bariéry k ochraně zrcátek automobilů před námrazou, podlahovým vytápěním a jinými topnými zařízeními.
Probíhá výzkum nových vlastností získaných drobným přidáním vícestěnných uhlíkových nanotrubiček do polymerů, jako je požární odolnost a odolnost proti hnilobě, což by mohlo vést k vývoji nových produktů, které jsou více v souladu s moderními environmentálními požadavky a zlepšily se. výkon ve srovnání se stávajícími materiály s výhradou úspory nákladů.

Vyztužené elastomery
Saze a další prášková plniva se široce používají k vyztužení pryže v pneumatikách a jiných průmyslových pryžích. Kompozice může obsahovat vysoké zatížení plniv pro zvýšení pevnosti a tuhosti na požadovanou úroveň (více než 50 % hmotnosti), ale v některých aplikacích může postrádat elasticitu. Nahrazení 5-10% výplně vícestěnnými uhlíkovými nanotrubičkami, jako je Nanocyl® 7000, může poskytnout vysoce výkonné elastomery s podobnou úrovní pevnosti a tuhosti se zlepšenou elasticitou, což představuje novou rovnováhu mechanických vlastností, které se tradiční materiály nevyrovnají.

Využití uhlíkových nanotrubic pro komerční účely je nyní realitou a přitahuje stále větší pozornost. To znamená, že jsou průmyslem přijímány jako součást s přidanou hodnotou, která soutěží s jinými možnostmi, které jsou regulovány průmyslovými standardy. V současné době probíhá výzkum nových prospěšných a nepředvídatelných vlastností uhlíkových nanotrubic, které rozšíří jejich pronikání do průmyslu polymerů.

Vědcům z Kanagawa University (samozřejmě jde o Japonsko) se podařilo ovládat levitující objekt nejen bezdotykově, ale také bez změny charakteristiky magnetického pole. To vše se ukázalo jako možné díky speciální konfiguraci magnetů (jsou umístěny v šachovnicovém vzoru) a působení laseru na plovoucí disk. Laser působí tak, že se okraj kotouče zahřeje, dojde k teplotnímu rozdílu a kotouč se pohybuje za paprskem. Zde je návod, jak to celé vypadá:

Ještě více zajímavosti najdete na webu polezno.kg

Jedinečné Vánoce na antarktické polární stanici

Každý z nás slavil Vánoce jinak. Někdo tento den jako svátek vůbec neuznává, někdo slavil s přáteli, někdo odešel do teplejšího podnebí. Vědci z antarktické stanice se ale rozhodli vypustit speciální dalekohled o hmotnosti až 1,8 tuny. Jedná se o stratosférický dalekohled, který plní řadu důležitých úkolů pro studium procesů vzniku hvězd a vzniku planet. Zařízení se bude vznášet ve výšce asi 30 kilometrů a bude studovat vesmír. Podle astronomů jsou takové dalekohledy levnější než orbitální dalekohledy a náklady na jejich provoz jsou mnohem nižší než náklady na provoz orbitálních dalekohledů.

Uhlíkové trubky jsou zdraví nebezpečné

Vědci z University of Edinburgh zjistili, že uhlíkové nanotrubice nejsou o nic méně (a možná více) škodlivé než azbest. Jde o to, že samotná trubice je velmi tenká (lidský imunitní systém není navržen pro takové rozměry), ale je dlouhá. Když se tedy nanotrubice dostane do plic, infikuje plíce a imunitní systém s takovým „sousedem“ vůbec nebojuje. Zatím není zcela jasné, zda se nanotrubice v případě dlouhodobé interakce s materiálem uhlíkových nanotrubic budou hromadit v lidském těle. Ale i krátkodobě to vše může poškodit lidské zdraví.

Pokud má někdo zájem, může získat podrobné informace v angličtině

M. M. Mikhnev, N. N. Ishenina, V. N. Nagovitsin

STANOVENÍ PARAMETRŮ SPOJE LEPICÍ PŘI VÝROBĚ VOŠKOVINY

Příspěvek pokrývá pevnostní kritéria adhezivního pláště spoje - voštinové výplně.

Je uveden výpočet teoretické výšky lepicí lišty, která je nutná pro požadovanou pevnost lepeného spoje, na základě konstrukčních vlastností vyrobených voštinových panelů.

Klíčová slova: voštinový panel, lepený spoj, pevnostní kritéria.

© Mikhnev M. M., Ishenina N. N., Nagovitsin V. N., 2011

M. M. Šimunin, S. V. Hartov, I. V. Němcev, A. V. Šiverskij, A. S. Voronin

MORFOLOGIE PORÉZNÍHO ANODICKÉHO OXIDU hlinitého modifikovaného uhlíkovými nanotrubičkami*

Jako prostředek pro vytvoření substrátu pro syntézu uhlíkových nanotrubic byla vyvinuta experimentální technologie modifikace anodického oxidu hlinitého uhlíkovými nanotrubičkami. Je uvažována morfologie porézního anodického oxidu hlinitého v mezistupni tvorby aktivního nano-chlupatého materiálu.

Klíčová slova: uhlíkové nanotrubice, porézní oxid hlinitý, katalytické substráty, nanomembrány.

Uhlíkové nanotrubice (CNT) jsou velmi běžným materiálem v elektronice. Největšího úspěchu v této věci dosáhla emisní technologie. Hustý „les“ uhlíkových nanotrubiček bohužel představuje homogenní vyzařovací povrch i v relativně krátkých vzdálenostech od konců nanotrubiček, takže syntéza směrovaných, vzdáleně rozmístěných nanotrubiček je naléhavým vědeckým problémem. Výroba směrovaných uhlíkových nanotrubic je navíc spojena s řadou technologických obtíží, například se zavedením vodícího pole nebo přesným řízením rychlosti a rovnoměrnosti proudění směsi páry a plynu během růstu CNT. Je třeba poznamenat, že získání řady samostatných vertikálních uhlíkových nanotrubic je také důležité pro vytvoření membrán nového typu - aktivních nanomembrán, zejména membrán NEMS, ve kterých každý nanopór obsahuje 2 nezávislé elektrody (v případě membrán NEMS jednu elektrod je schopen řízeně měnit svůj mechanický stav). Tento přístup je jednou z aplikací aktivního nanofleece materiálu, jehož koncept a technologii autoři vyvíjejí.

Slibným způsobem, jak získat pole nanotrubic, které splňují požadavky, je syntéza směrovaných nanotrubiček

v pórech anodického oxidu hlinitého. V tomto případě jsou oba výše uvedené problémy současně vyřešeny. Studium morfologie porézního anodického oxidu hlinitého (PAA) modifikovaného nanotrubičkami se tedy zdá být naléhavým vědeckým problémem.

Způsob získávání vzorků. Vzorky typu 1 jsou PAO s uhlíkovými nanotrubičkami v pórech a na povrchu. Jejich tvorba byla provedena za použití následující metody. Hliníková fólie třídy A0 byla eloxována v šťavelovém elektrolytu po dobu 40 minut v galvanostatickém režimu při proudu 70 mA. Eloxování mělo za následek vytvoření 15 μm vrstvy porézního anodického oxidu. Výsledný PAO byl impregnován prekurzorem katalyzátoru pro růst uhlíkových nanotrubic, načež byly syntetizovány katalytickou pyrolýzou ethanolu.

Vzorky typu 2 jsou PAO s pouze uhlíkovými nanotrubičkami v pórech, které byly za mokra leptané, aby byly vystaveny CNT. Vzorek byl získán metodou podobnou typu 1, nicméně po syntéze CNT byly nanotrubičky z povrchu PAO mechanicky odstraněny a v pórech tak zůstaly pouze nanotrubičky a následně bylo PAO leptáno v CrO3-H3P04- cestovatel.

*Práce byla provedena s finanční podporou federálního cílového programu „Vědecký a vědecko-pedagogický personál inovativního Ruska“ na léta 2009-2013.

Metodika studia vzorků. Morfologie povrchu byla studována rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM) v sekundárním elektronovém módu na mikroskopu Hyacy B5500 za použití této metody. Při přípravě vzorků vzorky vykazovaly vysokou mechanickou pevnost a tribologickou odolnost, proto byly vzorky připraveny standardními metodami pro elektronovou mikroskopii mechanického zpracování materiálů.

Výsledky výzkumu. Studie SEM ukázaly, že povrch vzorků typu 1 (obr. 1) je hustá propletená vrstva uhlíkových nanotrubiček (obr. 1a), která je způsobena zbytkovým katalyzátorem vytvořeným z prekurzoru na povrchu PAO, který však ne vstoupit do pórů. Na povrchu vzorku byly nalezeny oblasti protržení vrstvy uhlíkových nanotrubiček (obr. 1, b), pod kterými byly patrné póry PAO s uhlíkovými nanotrubičkami uvnitř.

Průměr buněk oxidu hlinitého je řádově 100 nm, zatímco průměr samotných pórů v buňkách oxidu hlinitého je 30-50 nm. Průměry pórů v oxidu hlinitém korelují s průměry uhlíkových nanotrubiček, které jsou rovněž v rozmezí 30-50 nm. Je zřejmé, že průměr pórů určuje průměr částice katalyzátoru, která se v ní tvoří z prekurzoru. Na druhé straně je známo, že průměr částic katalyzátoru určuje průměr nanotrubiček, takže průměr pórů anodického oxidu hlinitého určuje průměr nanotrubiček.

Vzorky typu 2 (obr. 2) jsou pole volně stojících uhlíkových nanotrubiček, vzájemně izolovaných stěnami buněk PAO (obr. 2, a). Snímek SEM jasně ukazuje, že průměr uhlíkových nanotrubiček se přesně shoduje s průměrem pórů, ve kterých se nacházejí, a zcela je vyplňují.

Rýže. 1. Pohled na povrch vzorku nanovlákenného materiálu ve střední fázi tvorby, SEM snímky: a - tkaná vrstva uhlíkových nanotrubic; b - uhlíkové nanotrubice s pórovými buňkami

Rýže. 2. Pohled na povrch vzorku nanofleecy materiálu v mezistupni tvorby, SEM snímky:

a - pohled shora; b - pod úhlem 30o

Tekuté leptání PAO vedlo k obnažení CNT, které se nacházely v pórech (obr. 2b). Poměr stran výsledných hrotů lze odhadnout řádově na jednotku.

Další leptání za účelem prodloužení vyčnívajících špiček CNT vede ke vzniku dutin v materiálu PAO, což jej zbavuje homogenity znázorněné na obr. 2.

Modifikace PAO uhlíkovými nanotrubičkami vede k jejich výskytu v každém póru, z čehož lze vytvořit volně stojící jednohrotové zářiče na bázi uhlíkových nanotrubic. Pokud jde o vytvoření nového typu membrány - aktivní nanomembrány - v rámci tohoto přístupu, lze poznamenat následující. Dosažené výsledky nám umožňují postoupit do další fáze, která zahrnuje přechod od neprůchozích pórů NEMS k monovrstvě pórů průchozích NEMS.

Plánované práce zahrnují vývoj technologické operace pro lokální rastrování dielektrické matrice podél uhlíkových nanotrubic, implementaci metody samoregulace průměru výstupních otvorů průchozích pórů a vývoj technologického postupu pro tvorbu nosná membrána s mikrometrovými póry, zajišťující mechanickou pevnost monovrstvy pórů NEMS. K dnešnímu dni byla proveditelnost efektů, které jsou základem těchto operací, potvrzena experimentálně autory.

1. Anantram M. P. Leonard F. Fyzika elektronických zařízení uhlíkových nanotrubic // Zprávy o pokroku ve fyzice / Institute of Physics Publishing. 2006. č. 69. R. 507-561.

2. Polní nasazení přenosného rentgenového difrakčního přístroje / rentgenového fluorescenčního přístroje na analogovém terénu Marsu / P. Sarrazin // Prášková difrakce. 2005. Sv. 20. S. 128-133.

3. Hartov S.V. Aktivní metamateriál založený na integrálních strukturách NEMS // Bulletin of SibSAU. 2009. Sv. 4 (25). s. 49-53.

4. Komarov I. A., Simunin M. M. Tvorba katalyzátorových nanočástic pro růst uhlíkových nanotrubic v problémech elektroniky // Mikroelektronika a informatika: abstrakt. zpráva M.: MIET, 2008. S. 11.

5. Bobrinetsky I. I., Nevolin V. K., Simunin M. M. Technologie výroby uhlíkových nanotrubic katalytickou pyrolýzou z plynné fáze ethanolu // Chemická technologie. 2007. č. 2. S. 58-62.

6. Studium uhlíkového nanomateriálu metodami atomové síly a elektronové mikroskopie / I. I. Bobrinetsky [et al.] // Novinky z univerzit. Elektronika. 2007. č. 4. S. 3-6.

7. Mikroskopické mechanismy pro katalyzátorem asistovaný růst jednostěnných uhlíkových nanotrubic / J. Gavillet // Carbon. 2002. č. 40. R. 1649-1663.

M. M. Šimunin, S. V. Chartov, I. V. Němcev, A. V. Šiverskij, A. S. Voronin

MORFOLOGIE PORÉZNÍHO ANODICKÉHO OXIDU hlinitého UPRAVENÁ UHLÍKOVÝMI NANOTRUBKAMI

Je vyvinuta experimentální technologie modifikace anodového oxidu hliníku uhlíkovými nanotrubičkami. Je uvažována morfologie porézní anody oxidu hlinitého v mezistupni tvorby aktivního nanovlákenného materiálu.

Klíčová slova: uhlíkové nanotrubice, porézní oxid hlinitý, katalytické substráty, nanomembrány.

© Simunin M. M., Hartov S. V., Nemtsev I. V., Shiversky A. V., Voronin A. S., 2011