- •Содержание
- •Введение
- •Глава 1 особенности структуры и технологии наноразмерных объектов
- •1.1 Классификация вещественных объектов
- •1.1.1 Размерные классы частиц
- •1.1.2 Факторы, влияющие на свойства вещества
- •Риcунок 1.11 – Схема возникновения н-центра окраски в цгк типа NaCl
- •1.2 Методы получения низкоразмерных частиц
- •1.3 Модельные представления о структуре и габитусе наноразмерных частиц
- •1.3.1 Методологические подходы к описанию кристаллов
- •1.3.2 Правильные формы кристаллов и их описание
- •Общие простые формы кристаллов и кристаллографические индексы их граней (hkl)
- •Частные простые формы (грань (h 0 0))
- •Частные простые формы кристаллов с единичным направлением (исходная грань (h k 0)).
- •Частные простые формы кристаллов без единичного направления
- •1.3.3 Габитус наночастиц, полученных при диспергировании крупных кристаллов
- •1.4 Теоретическое описание структуры и габитуса наночастиц, полученных конденсированием
- •1.4.1 Шаровые упаковки как модели многоатомных структур
- •1.4.2 Атомные координации в полиэдрах плотнейших атомных упаковок
- •Радиусы координационных сфер и их числа заполнения для гцк-структур
- •Радиусы координационных сфер и их числа заполнения для гпу-структур
- •Радиусы координационных сфер и их числа заполнения для оцк-структур
- •1.4.3 Некристаллографическая симметрия габитуса наноразмерных атомных координационных полиэдров
- •1.4.4 Фуллереноподобные формы нанокристаллов
- •1.4.5 Габитусы наночастиц сложного состава
- •1.5 Структура и свойства наноразмерных частиц, применяемых в функциональном материаловедении
- •1.5.1 Структура и свойства наноразмерных металлических модификаторов функциональных материалов
- •Координационные числа (к) координационных сфер (n – ее номер) при плотнейшей шаровой упаковке
- •Основные параметры, необходимые для описания жидких кластеров металлов (z – порядковый номер, n – плотность атомов, ef – энергия Ферми, rw – радиус Вагнера-Зейтца, w – работа выхода)
- •1.5.2 Наноразмерные углеродсодержащие модификаторы*
- •Размеры кристаллических блоков в алмазосодержащих продуктах детонационного синтеза
- •Р исунок 1.66 – Термограммы tg (а) и dta (б) углеродных нанокластеров. Скорость нагрева 5оС/мин: 1 – удаг; 2 – уда
- •Фазовый состав наномодификаторов, полученных по технологии термолиза прекурсора в технологической среде
- •Характеристики модифицированных углеродных волокон [161]
- •1.5.3 Силикатные наноразмерные частицы
- •Кристаллографические индексы рефлексов (kl) и структурные амплитуды f(20) и f(850) кристалла мусковита при 20оС и после прогрева при 850оС соответственно
- •Характеристики ультрадисперсных керамик (ук), полученных плазмохимическим синтезом [179]
- •Характеристики ультрадисперсных керамик (ук) механохимического синтеза [177]
- •Характеристики ультрадисперсных оксинитридов плазмохимического синтеза [179-180]
- •Некоторые свойства природных и синтетических цеолитов
- •1.6 Заключение к главе 1
- •Глава 2 механизмы модифицирующего действия наноразмерных частиц в полимерных и олигомерных матрицах
- •2.1 Критерии оценки наноразмерности
- •2.1.1 Физические предпосылки к оценке наноразмерности частиц
- •2.1.2 Связь фононных характеристик с наноразмерностью
- •2.1.3 Теорема Блоха и наноразмерность
- •2.1.4 Дебаевская длина волны и максимальный наноразмер
- •2.1.5 Расчет максимального наноразмера на основании уравнения Шредингера
- •2.1.6 Определение предельных размеров частиц веществ с неразрушенными полимерными молекулами
- •2.1.7 Динамические модели кристалла Эйнштейна и Дебая
- •2.1.8 Расчетные значения максимальных размеров наночастиц одноэлементных веществ и некоторых соединений
- •Характеристические температуры ( ) и максимальные размерынанокристаллов некоторых веществ
- •Характеристические температуры и максимальные размеры нанокристаллов некоторых галогенидов
- •Температура Дебая и максимальный наноразмер полупроводников типов
- •Отношение температуры Дебая наночастиц к для объемной фазы некоторых металлов, r – размер частицы
- •Дебаевская температура и наноразмерный максимум одноэлементных веществ
- •2.1.9 Влияние размеров кристаллитов на их физические свойства
- •2.2 Особенности зарядового состояния наноразмерных частиц
- •2.2.1 Зарядовое состояние дисперсных частиц слоистых минералов
- •2.3 Зарядовое состояние металлических компонентов функциональных материалов и металлополимерных систем
- •2.3.1 Модельные представления о механизме модифицирования полимерных матриц нанокомпозиционными частицами
- •Зависимость размеров областей когерентного рассеяния (l ǻ) от массовой концентрации (с, мас.%) ультрадисперсного углерода (шихты)
- •Значения радиусов (r, ǻ) и относительных координационных чисел (окч) для композитов с различной массовой концентрацией (с, мас.%) наполнителя
- •2.4 Заключение к главе 2
1.1 Классификация вещественных объектов
Нанокомпозиционные материалы на основе полимерных матриц находят все большее применение в современном машиностроении. Служебные характеристики нанокомпозитов зависят не только от содержания низкоразмерного модификатора, но и от особенностей его зарядового состояния, определяющего активность в процессах адсорбционного взаимодействия.
К числу наиболее распространенных низкоразмерных модификаторов полимерных, олигомерных, керамических и металлических матриц относят порошки металлов, их оксидов, карбидов, нитридов, керамики, слоистых минералов, углеродсодержащие продукты детонационного синтеза УДА, УДАГ [4, 6, 14, 15, 19]. Установлены общие закономерности модифицирующего действия наночастиц различного состава и технологии получения, основанные на изменении кинетики адсорбционного взаимодействия полимерных макромолекул с активными центрами поверхностного слоя и формировании упорядоченной структуры граничного слоя под действием электрических полей наполнителя.
Анализ исследований в области создания функциональных полимерных нанокомпозитов свидетельствует об отсутствии единой точки зрения на влияние размеров и формы наночастиц на эффективность их модифицирующего действия. Для более строгого обоснования наноразмерности частиц модификатора потребовалось проведение теоретических исследований, объясняющих влияние размерных факторов на свойства вещества и позволяющих установить размер частиц , ниже которого вещество начинает приобретать свойства, отличные от тех, которые характеризуют вещество в большом объеме. При размерах частиц вещество переходит в наносостояние, так как соответствует размерам, меньшим 100 нм [19, 26, 28].
Рассмотрим классификацию частиц вещества по их крупности, не затрагивая механизмы межатомных и межчастичных взаимодействий.
Все вещества, которые человек использует в различных видах деятельности, делятся на естественные, то есть истинно природные, искусственные, то есть созданные человеком по природным аналогам, и синтетические, то есть не встречающиеся в природе, а созданные человеком для решения отдельных технических, бытовых, лечебных, исследовательских и других задач. Вещества являются атомно-молекулярными системами и откликаются на внешнее воздействие соответствующим образом, но всегда так, чтобы это воздействие ослабить. Если, например, в веществе создать температурные градиенты, то есть вдоль какого-то направления r будет наблюдаться изменение температуры ΔΤ ( ), то объект будет выравнивать эту температуру, что приведет к возникновению теплового потока. Если материальный объект подвергнуть деформированию, то возникающие в нем напряжения создадут условия для формирования в нем таких сил, которые будут препятствовать силам деформирования. Этих примеров можно привести достаточно много. Таким образом, в общем случае можно говорить об откликах объектов любой природы на соответствующее внешнее воздействие. Эти отклики изучают, их численные парамтеры характеристик заносят в таблицы и называют «свойствами» материалов. Следовательно, принцип Ле-Шателье – Брауна: «Любая система отвечает на внешнее воздействие так, чтобы это воздействие максимально ослабить» проявляется в любых материалах, процессах и состояниях.
Когда в общем случае говорят о свойствах вещества, то, как правило, размеры образца этого вещества не учитывают. Например, рассмотрим электропроводность (теплопроводность, упругость и т. д.) металлов. В справочных таблицах приведены значения параметров характеристик этого свойства без указания геометрических размеров образца, то есть a priori предполагают, что размеры образцов на эти свойства не влияют. Опыты показывают, что такое предположение действительно выполняется для широкого интервала размеров, но для очень маленьких (менее 0,1 мкм) частичек и у тонких пленок характеристики свойств могут существенно отличаться от объемных. Простейший пример – непрозрачный в макрообразце металл в пленочном состоянии пропускает свет.