Получение углеродных нанотрубок и армированных керамических композитов

• Автор: Зараменских, Ксения Сергеевна
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 174 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы
1.1. Углеродные нанотрубки: структура, свойства и области применения
1.2. Получение углеродных нанотрубок
1.3. Очистка углеродных нанотрубок и их химические свойства
1.4. Характеризация углеродного депозита, содержащего нанотрубки
1.5. Особенности применения нанотрубок для армирования
керамических материалов
1.6. Выводы из обзора литературы
Глава 2. Характеристики реактивов, материалы, оборудование и методы исследования
2.1. Исходные реактивы и материалы
2.2. Электронно-микроскопический анализ
2.3. Рентгенофазовый анализ углеродного депозита
2.4. Определение устойчивости растворов УНТ
2.5. Проведение измерений методом фотонной корреляционной
спектроскопии
2.6. Исследование керамических образцов с помощью оптической
микроскопии
2.7. Определение керамических характеристик композиционного
материала
2.8. Определение механических характеристик композитов
Глава 3. Получение углеродных наноструктур методом «плавающего катализатора»
3.1. Схема установки и условия проведения пиролиза бензола
в присутствии ферроцена и сероуглерода
3.2. Влияние С8г на свойства углеродного депозита, полученного при атмосферном давлении

3.3. Исследование углеродного депозита, полученного в присутствии СБ2
при пониженном давлении
3.4. Влияние ввода предкатализатора из раствора на свойства углеродного депозита
Выводы по главе 3
Глава 4. Синтез углеродных наноструктур при использовании
«твердотельных» катализаторов
4.1. Описание используемого катализатора и методики проведения пиролиза
4.2. Особенности углеродного депозита, полученного в присутствии
Ге20з катализатора
4.3. Углеродный депозит, полученный в присутствии №/(№0+У20з) катализатора при атмосферном давлении
4.4. Влияние пониженного давления на состав углеродного депозита, полученного на №/(№0+У203) катализаторе
4.5. Выводы по главе 4
Глава 5. Получение композиционного материала на основе корундовой
керамики, армированной углеродными нанотрубками
5.1. Определение времени обработки УНТ азотной кислотой
5.2. Определения устойчивости растворов нанотрубок
5.3. Получение шихты и керамических заготовок
5.4. Спекание материала состава А1203 (0,25 М&0) - УНТ
5.5. Получение композита из шихты с уменьшенной активностью к спеканию
5.6. Получение композита с применением смешения шихты с УНТ
в планетарной мельнице в среде этанола
5.7. Выводы по главе 5
Выводы по работе
Список использованной литературы

Актуальность работы
Углеродные нанотрубки (УНТ) на сегодняшний день являются одним из немногих наноматериалов, нашедших свое применение в широком спектре прикладных областей. При том, что УНТ были открыты в 1991 году как побочный продукт синтеза фуллеренов в дуговом разряде, в 1992-1993 годах уже определились основные потенциальные области их применения. Это связано с уникальным сочетанием сначала предсказанных расчетами, а потом подтвержденных экспериментально выдающихся механических, электрических, магнитных и оптических свойств, проявляемых нанотрубками: сверхпроводимость, высокая устойчивость к механическим нагрузкам, высокая эмиссионная способность и т.д. Основные области применения УНТ связаны с электронной техникой, созданием отдельных сверхпрочных элементов (например, зондов для микроскопии), катализом и получением композитов.
Однако на сегодняшний день УНТ остаются достаточно дорогим материалом. Стоимость углеродного депозита, содержащего УНТ, на мировом рынке начинается с 95 долларов за килограмм (по данным прайс-листа CheapTubes Inc.), но цена сильно зависит от вида и чистоты материала (например, до 200 долларов за грамм, там же). Продолжаются разработки по совершенствованию технологии производства УНТ, так как проблема получения однородного депозита остается открытой. Ведутся активные исследования как по оптимизации процессов синтеза УНТ, так и по выявлению новых факторов, оказывающих положительный эффект.
Несмотря на то, что изначально «классическим» способом получения УНТ являлся синтез в дуговом разряде, на сегодняшний день наибольшую продуктивность показывает синтез методом каталитического пиролиза углеводородов и СО. Популярность метода связана с возможностью организовать непрерывный процесс, что значительно удешевляет получаемый продукт, а также
с керамической матрицей. Возникающий при этом эффект проскальзывания неблагоприятно влияет, например, на прочность на изгиб композита [179-181]. Однако моделирование процесса проскальзывания показало, что это же явление приводит к росту коэффициента интенсивности напряжений материала.
Проскальзывание полых волокон (в том числе углеродных нанотрубок) вблизи трещин в керамических нанокомпозитах может происходить путем зарождения и скольжения призматических круговых дислокационных петель по границе между волокном и матрицей. Дислокационный механизм проскальзывания полых волокон приводит к значительной релаксации упругой энергии вблизи трещин и торможению их роста в керамических нанокомпозитах, причем критическое напряжение увеличивается с ростом толщины стенки волокна [182]. Позже этими же авторами было показано, что в рамках их модели наиболее эффективно повышают К1С материала углеродные нанотрубки, имеющие тройные разветвления в своей структуре (Рис. 1.21) [183].
Рис. 1.21. Схема скольжения дислокационной петли в области тройного разветвления УНТ (справа — изменение вида петли в различных сегментах УНТ) [183]
Таким образом, равномерное распределение УНТ и эффективное их связывание с матрицей являются основными требованиями для создания композитов с улучшенными свойствами.