SCHVÁLIŤ

prorektor pre akademické záležitosti

V.V. Lyubimtsev

"_____" ____________________ 2011

Náuka o materiáloch nanomateriálov a nanosystémov

Kód, smer prípravy

152200 Nanoinžinierstvo

Tréningový profil

Nanomateriály

Cyklus, kód

Matematika a prírodné vedy (B.3.1-3a)

semester(y)

Kvalifikácia (stupeň) absolventa

mládenec

Forma štúdia

na plný úväzok

fakulta

módny priemysel

Typ študijnej práce

Celkový počet hodín / kreditov

Číslo semestra

Aktivity v triede (celkom)

Počítajúc do toho:

Praktické hodiny (semináre)

Samostatná práca (celkom)

Príprava na praktické hodiny (semináre)

Štúdium teoretickej problematiky predložené na samostatné štúdium

Príprava na test

Typ strednej certifikácie (test, skúška)

Celková náročnosť práce: hod

kreditov

A.K. Izgorodin

Materiály vždy zohrávali dôležitú úlohu vo vývoji civilizácie. Vedci tvrdia, že históriu ľudstva možno opísať ako zmenu použitých materiálov. Éry dejín civilizácie boli pomenované podľa materiálov: doba kamenná, bronzová a železná. Možno sa súčasná doba bude nazývať storočím kompozitných materiálov. Vo vyspelých krajinách je materiálová veda zaradená medzi tri najlepšie oblasti poznania spolu s informačnými technológiami a biotechnológiou.

Každé odvetvie techniky, ako sa vyvíja, kladie čoraz rozmanitejšie a vyššie nároky na materiály. Napríklad konštrukčné materiály pre satelity a kozmické lode musia mať okrem odolnosti voči teplote (vysoké a ultranízke teploty) a tepelnej cyklickej odolnosti tesnosť v absolútnom vákuu, odolnosť voči vibráciám, vysoké zrýchlenia (desaťtisíckrát väčšie ako zrýchlenie gravitácia), bombardovanie meteoritmi, dlhodobé vystavenie plazme, žiareniu, stav beztiaže atď. Takéto protichodné požiadavky môžu uspokojiť iba kompozitné materiály pozostávajúce z niekoľkých komponentov s výrazne odlišnými vlastnosťami.

Vrstvený intermetalický kompozit so zvýšenou tepelnou odolnosťou

Kompozit zo supravodivých vlákien

Kompozitný materiál odolný voči opotrebovaniu, disperzne spevnený

Rozvoj nanotechnológií (jedna zo sekcií modernej vedy o materiáloch) podľa prognóz väčšiny odborníkov určí tvár 21. storočia. Potvrdzuje to aj udelenie štyroch Nobelových cien za chémiu a fyziku za posledných 15 rokov: za objav nových foriem uhlíka - fullerénov (1996) a grafénu (2010), za vývoj v oblasti polovodičovej technológie a integrovaných obvodov (2000), optické polovodičové senzory (2009). Rusko je na druhom mieste na svete, pokiaľ ide o investície do nanotechnológií, po Spojených štátoch amerických (v roku 2011 investície predstavovali približne 2 miliardy dolárov). V súčasnosti veda zažíva skutočný boom nových materiálov. V tomto ohľade sú materiáloví vedci žiadaní v mnohých odvetviach: v jadrovej energetike, medicíne, ťažbe ropy, automobilovom priemysle, letectve, kozmickom priestore, obrane, energetickom priemysle, elitnom športovom priemysle, výskumných ústavoch a inovatívnych spoločnostiach vyrábajúcich produkty náročné na vedu.

Časti a zostavy Sukhoi Superjet 100 vyrobené z kompozitných materiálov

Flexibilné displeje na báze grafénu

Moderné športové vybavenie vyrobené z kompozitných materiálov

Materiáloví vedci sa zaoberajú vývojom, výskumom a modifikáciou organických a anorganických materiálov na rôzne účely; procesy ich výroby, tvorby štruktúry, transformácie v etapách výroby, spracovania a prevádzky; otázky spoľahlivosti a účinnosti materiálov; počítačová simulácia správania sa častí a zostáv pri rôznych typoch zaťaženia; poskytovať technickú podporu rôznym výrobným oddeleniam v záležitostiach týkajúcich sa materiálov na výrobu celkov a komponentov zariadení, podieľať sa na výbere a hodnotení potenciálnych dodávateľov spoločnosti.

Absolventi odboru „Materiálové vedy“ VolgGTU sú žiadaní, ktorí pracujú vo veľkých spoločnostiach a podnikoch: OJSC SUAL pobočka VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau Titan, JSC JSC Nemontf Bureau Titan, JSC VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 a mnoho ďalších.

Príprava diplomovaných bakalárov a magistrov sa uskutočňuje v rámci smeru „Náuka o materiáloch a technológia materiálov“ na adrese

Model uhlíkových nanorúrok

Koniec jedného roka a začiatok nasledujúceho je zvláštny čas, keď ľudstvo navštevuje túžba analyzovať minulosť a premýšľať o tom, čo je pred nami. A na začiatku nového roka si chceme zhodnotiť 10 najdôležitejších noviniek v nanotechnológiách od začiatku ich vývoja, ktoré súvisia s vedou o materiáloch.

Takto začína J.Wood, jeden z jej redaktorov, svoju publikáciu v ponovoročnom čísle Materials Today, pričom sa pýta, aké udalosti posledných 50 rokov určili dnešnú vysokú dynamiku rozvoja materiálovej vedy. Wood identifikuje 10 udalostí (okrem objavu vysokoteplotnej supravodivosti tu, samozrejme, ako udalosti významnejšej pre fyzikov ako pre vedcov materiálov).

Na prvom mieste- „International Technology Roadmap for Semiconductors“ (International Technology Roadmap for Semiconductors – ITRS), nie je vedecký objav, ale v skutočnosti ide o dokument (analytický prehľad), ktorý zostavila veľká medzinárodná skupina odborníkov (v roku 1994 viac ako 400 technológov sa podieľalo na zostavovaní mapy av roku 2007 viac ako 1200 odborníkov z priemyslu, národných laboratórií a akademických inštitúcií). Mapa, ktorá spája vedu, technológiu a ekonomiku, stanovuje ciele, ktoré je možné dosiahnuť v danom časovom období, a najlepšie spôsoby, ako ich dosiahnuť. Záverečná správa (v roku 2007 obsahuje 18 kapitol a 1000 strán textu) je výsledkom konsenzu väčšiny odborníkov, ku ktorému sa dospelo po dlhých diskusiách. S podobným problémom sa pri výbere cieľa nanovývoja stretli aj ruskí organizátori nanovýskumu. Snažia sa v krátkom čase „inventarizovať“ to, čo už v Rusku „páchá“ a povolávajúc narýchlo vytvorené odborné rady nájsť optimálne smerovanie rozvojového kanála. Oboznámenie sa s obsahom správy ITRS a skúsenosti s organizovaním týchto štúdií by boli samozrejme užitočné.

Ryža. 1. Výskum polovodičov založený na ITRS

Druhé miesto- skenovacia tunelová mikroskopia - nie je prekvapujúca, pretože práve tento vynález (1981) poslúžil ako impulz pre nanorovýskum a nanotechnológie.

Tretie miesto- efekt obrej magnetorezistencie vo viacvrstvových štruktúrach magnetických a nemagnetických materiálov (1988), na základe čoho vznikli čítacie hlavy pre pevné disky, ktorými sú dnes vybavené všetky osobné počítače.

Štvrté miesto- polovodičové lasery a LED na GaAs (prvý vývoj sa datuje do roku 1962), hlavné komponenty telekomunikačných systémov, CD a DVD prehrávače, laserové tlačiarne.

Piate miesto- opäť odkazuje nie na vedecký objav, ale na dobre zorganizovanú akciu v roku 2000 na podporu masívneho pokročilého vedeckého výskumu - tzv. Americká národná nanotechnologická iniciatíva. Veda na celom svete teraz veľa dlhuje nadšencom tejto iniciatívy – vtedajšiemu prezidentovi B. Clintonovi a Dr. M. Rokovi (Mihail C. Roco) z americkej Národnej vedeckej nadácie. V roku 2007 presiahli globálne financovanie nanovýskumu 12 miliárd USD Príslušné vedecké programy boli spustené v 60 (!) krajinách sveta. Mimochodom, postoj niektorých ruských vedcov, ktorí sú nespokojní s „nanoblizzardom“ [napríklad 2], je trochu nepochopiteľný, pretože práve táto snehová búrka prinútila ruskú vládu, aby sa konečne obrátila na vedu.

Ryža. 2. Bicykel vystužený nanovláknami

Šieste miesto– plasty vystužené uhlíkovými vláknami. Kompozitné materiály – ľahké a pevné – premenili mnohé priemyselné odvetvia: lietadlá, vesmírne technológie, dopravu, balenie, športové vybavenie.

Siedme miesto– materiály pre lítium-iónové batérie. Je ťažké si predstaviť, že donedávna sme sa zaobišli bez notebookov a mobilných telefónov. Táto „mobilná revolúcia“ by nebola možná bez prechodu od dobíjacích batérií využívajúcich vodné elektrolyty k energeticky náročnejším lítium-iónovým batériám (katóda – LiCoO__2__ alebo LiFeO__4__, anóda – uhlík).

Ôsme miesto– uhlíkové nanorúrky (1991), ich objaveniu predchádzal nemenej senzačný objav v roku 1985 fullerénov C__60__. Dnes sú úžasné, jedinečné a sľubné vlastnosti uhlíkových nanoštruktúr v centre najhorúcejších publikácií. Stále však existuje veľa otázok týkajúcich sa spôsobov ich hromadnej syntézy s jednotnými vlastnosťami, spôsobov čistenia a technológií ich začlenenia do nanozariadení.

Ryža. 3. Metamateriál, ktorý pohlcuje elektromagnetické žiarenie

deviate miesto– materiály pre mäkkú tlačenú litografiu. Litografické procesy zaujímajú ústredné miesto vo výrobe dnešných mikroelektronických zariadení a obvodov, pamäťových médií a iných produktov a v blízkej budúcnosti neexistuje alternatíva. Litografia s mäkkou potlačou využíva pružnú polydimetyloxysilánovú raznicu, ktorú možno použiť viackrát. Metódu je možné použiť na plochých, zakrivených a flexibilných substrátoch s dnes dosahovaným rozlíšením až 30 nm.

Odporúčané na publikovanie Ústavom metalurgie a materiálovej vedy (IMET) im. A.A. Baykov RAS (Laboratórium fyzikálnej chémie a technológie povlakov - vedúci laboratória V.I. Kalita, doktor technických vied, profesor) a Univerzita inžinierstva a ekonómie v Petrohrade (Katedra inžinierstva a technických vied - vedúci katedry V.K. Fedyukin, doktor technických vied vedy, profesor, člen korešpondent Medzinárodnej akadémie vysokoškolského vzdelávania) ako učebná pomôcka pre študentov vysokých škôl študujúcich v technologických oblastiach prípravy v rámci kurzu „Moderné technológie a materiály pre priemysel“.

Obdržaná pečiatka UMO na PPO č.04-01 (Schválené Výchovným a metodickým združením pre odborné pedagogické vzdelávanie ako učebná pomôcka pre študentov vysokých škôl).

Vedecko-technický pokrok v oblasti špičkových technológií - v materiálovej vede, elektronike, mikromechanike, medicíne a ďalších oblastiach ľudskej činnosti je spojený s výsledkami základného a aplikovaného výskumu, návrhom a praktickým využitím konštrukcií, materiálov a zariadení, prvkov ktorých rozmery sú v rozsahu nanometrov (1 nm = 10-9 m) a vývoj technológií na ich výrobu (nanotechnológie) a diagnostických metód. Predmetom nanotechnológie v materiálovej vede sú rozptýlené materiály, filmy a nanokryštalické materiály.

Účelom príručky je oboznámiť študentov a odborníkov s novým efektívnym smerom rozvoja vedy a techniky v oblasti nanomateriálov a nanotechnológií, najmä syntézou nanokryštalických štruktúrnych materiálov s unikátnymi vlastnosťami a príkladmi ich využitia v priemysle. .

Príručka rozoberá teoretické a technologické základy, problémy a perspektívy nanovied a nanopriemyslu. Navrhujú sa definície základných pojmov nanovedy. Údaje o nanomateriáloch a nanoštruktúrach sú systematizované a je uvedená ich klasifikácia. Sú popísané metódy výskumu a návrhu nanoštruktúr. Je uvedená analýza metód syntézy nanoštruktúrnych materiálov a množstvo príkladov ich aplikácie v tradičných a nových technológiách v rôznych priemyselných odvetviach. Zvažujú sa znaky zmien fyzikálnych, mechanických a technologických vlastností štruktúrnych a funkčných nanomateriálov.

Učebnica bola vyvinutá pre študentov vysokých škôl študujúcich v rôznych odboroch, náuku o materiáloch a technológiu konštrukčných materiálov. Môže byť užitočná pre postgraduálnych študentov, špecialistov a výskumníkov zaoberajúcich sa nanomateriálmi a nanotechnológiami.

Štruktúra tutoriálu:

Úvod.

Kapitola 1. Základy a aspekty rozvoja vedy o nanomateriáloch a nanotechnológiách.

Kapitola 2. Nanomateriály a nanoštruktúry.

Kapitola 3. Metódy štúdia a navrhovania nanoštruktúr.

Kapitola 4. Technológie na získavanie nanoštruktúrnych materiálov a výrobu nanoproduktov.

Kapitola 5. Mechanické vlastnosti nanomateriálov.

Záver.

Bibliografický zoznam.

Zoznam pojmov.

Príloha: Odborná výstava nanotechnológií a nanomateriálov.

Bibliografický odkaz