Воздействие быстрых атомов на наноструктуры и полимерные композиты

• Автор: Воронина, Екатерина Николаевна
• Шифр специальности: 01.04.08, 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Перспективы применения наноматериалов в космической технике
1.1. Отличительные особенности наноматериалов и возможности их использования при создании космических аппаратов
1.1.1. Наноструктурированные материалы
1.1.2. Основные направления применения наноматериалов
1.2. Условия эксплуатации материалов в космическом пространстве
1.2.1. Космическая плазма
1.2.2. Атомарный кислород верхней атмосферы Земли
1.3. Наноструктуры из углерода и нитрида бора
1.3.1. Углеродные нанотрубки
1.3.2. Графен и графеновые наноленты
1.3.3. Наноструктуры из нитрида бора
1.4. Структура и свойства нанокомпозитов 3 О
1.4.1. Влияние размера частиц наполнителя на свойства нанокомпозитов
1.4.2. Роль процесса диспергирования наполнителя
в полимерной матрице
1.5. Воздействие космической плазмы на материалы
1.5.1. Химическое распыление
1.5.2. Физическое распыление и образование структурных дефектов
2. Методы многомасштабного моделирования наноструктур
и наноматериалов
2.1. Общие принципы многомасштабного моделирования
2.2. Квантовомеханические и полуэмпирические методы
2.2.1. Метод теории функционала плотности
2.2.2. Метод ОРТ в схеме сильной связи
2.3. Методы молекулярной механики и молекулярной динамики
2.4. Мезомасштабные методы моделирования
2.5. Программное обеспечение
3. Влияние процессов адсорбции атомов кислорода на наноструктуры
из углерода и нитрида бора
3.1. Текущее состояние исследований и постановка задачи
3.2. Адсорбция атома кислорода на поверхности наноструктур
3.2.1. Структурные изменения под воздействием атома кислорода
3.2.2. Зависимость энергии адсорбции от диаметра нанотрубок
3.2.3. Изменения в электронном строении наноструктур
3.3. Особенности коллективного воздействия атомов кислорода
3.3.1. Адсорбция нескольких атомов кислорода
3.3.2. Влияние диаметра УНТ на изменение структурных параметров
3.3.3. Зависимость энергии адсорбции от числа атомов кислорода
3.3.4. Изменения в электронном строении наноструктур

3.4. Деструкция нанотрубок под воздействием атомов кислорода
3.4.1. Разрыв связей в нанотрубках при адсорбции пар атомов кислорода
3.4.2. Зависимость структурных параметров и энергии адсорбции
от диаметра УНТ
Выводы к разделу
4. Моделирование образования дефектов в наноструктурах
под воздействием быстрых атомов
4.1. Текущее состояние исследований и постановка задачи
4.2. Особенности образования одиночных вакансий в наноструктурах
4.2.1. Строение одиночных вакансий
4.2.2. Энергия образования одиночных вакансий
4.2.3. Адсорбция атомов кислорода вблизи дефектов
4.3. Образование дефектов при воздействии быстрых частиц
4.4. Образование кислородсодержащих групп на поверхности наноструктур под воздействием быстрых атомов кислорода
Выводы к разделу
5. Влияние структуры полимерных нанокомпозитов на их стойкость
к воздействию частиц космической плазмы
5.1. Текущее состояние исследований и постановка задачи
5.2. Моделирование взаимодействия нанотрубок между собой
и с полимерами
5.3. Моделирование структуры полимерных нанокомпозитов
5.3.1. Определение равновесной структуры полимерного нанокомпозита
5.3.2. Влияние функционализации и внешних сил на процессы диспергирования
5.4. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными
5.5. Моделирование процессов торможения быстрых атомов
в многослойных полимерных нанокомпозитах
Выводы к разделу
Основные результаты
Литература

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы
Наноматериалы и нанотехнологии найдут в ближайшем будущем широкое применение в космической технике. Работы по созданию наноматериалов космического назначения включены в программы развития нанотехнологий, реализуемые в настоящее время многими государствами, а в ряде стран выделены в самостоятельные программы.
Различные наноструктуры: нанотрубки из углерода и нитрида бора, графен, графеновые наноленты и др. - рассматриваются при проектировании перспективных космических аппаратов (КА) как в качестве самостоятельных материалов для изготовления элементов конструкции и оборудования КА, так и в качестве наполнителей композиционных материалов, которые будут играть весьма важную роль в дальнейшем совершенствовании космической техники [1,2].
Одним из главных требований, предъявляемых к материалам КА, является их высокая стойкость к различным по физической природе воздействиям окружающей среды, которые могут приводить к значительным изменениям свойств материалов. В наибольшей степени подвержены воздействию космической среды материалы, элементы конструкции и оборудования, располагаемые на внешней поверхности КА. Для них серьезную опасность представляет воздействие холодной плазмы ионосферы Земли с энергией частиц —0,1 эВ и горячей магнитосферной плазмы, энергия частиц которой лежит в диапазоне —102—105 эВ. При воздействии холодной плазмы основным механизмом повреждения и даже разрушения материалов является химическое распыление атомарным кислородом - доминирующим компонентом ионосферы в интервале высот -200-800 км, где осуществляются, в частности, полеты пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций (350-400 км) [3].

функционализации достигается ослабление взаимного притяжения между УНТ и, соответственно, усиление их взаимодействия с полимерными звеньями, что повышает эффективность передачи нагрузки от полимерной матрицы к УНТ и улучшает растворимость нанотрубок в полимере. Аналогичные подходы используются и для BN-HT [27, 32, 36].
Ковалентная функционализация позволяет обеспечить высокую эффективность передачи нагрузки от полимерной матрицы к наполнителю. Однако следует учитывать, что присоединение молекулярной группы к поверхности УНТ или графена в большинстве случаев приводит к нарушению характерной для этих наноструктур л-р2-гибридизации и локальному переходу к -гибридизации, т.е. образованию структурного дефекта [47]. При высокой поверхностной плотности таких присоединенных молекулярных образований свойства УНТ могут ухудшаться.
Нековалентная функционализация предполагает присоединение к стенкам УНТ различных органических и неорганических соединений, которые, взаимодействуя с нанотрубкой, ослабляют притяжение УНТ друг к другу. В качестве таких соединений могут выступать поверхностно-активные вещества, ароматические полимерные звенья, молекулы ДНК и др. [27, 32]. Наибольшая прочность интерфейса достигается, когда происходит «обволакивание» (wrapping) полимерными звеньями поверхности нанотрубки [49]. Оно наиболее характерно для полимеров, содержащих ароматические кольца [27,50] и объясняется взаимодействием между делокализованными л-электронами стенок УНТ и л-электронами колец в полимерных звеньях [32].
Несмотря на то, что в результате нековалентной функционализации взаимодействие между матрицей и УНТ оказывается более слабым, чем в случае образования ковалентных связей, данный подход в настоящее время рассматривается как весьма перспективный, поскольку позволяет сохранить изначальные свойства нанотрубок. Рассматриваются также возможности