авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Разработка основ технологии новых металлоуглеродных нанокомпозитов и углеродного нанокристаллического материала под действием ик нагрева полимеров

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Козлов Владимир Валентинович

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ НОВЫХ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ И УГЛЕРОДНОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИК НАГРЕВА ПОЛИМЕРОВ

Специальность 05.27.06:

технология и оборудование для производства полупроводников,

материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Государственном технологическом университете “Московский институт стали и сплавов”

Научный консультант: профессор, доктор технических наук

Кожитов Лев Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хурса Владимир Иванович

(ФГУ “27 Научный центр Министерства обороны РФ”)

доктор технических наук, профессор

Иванов Юрий Михайлович

(ИК РАН)

доктор химических наук, профессор

Минаев Виктор Семенович

(ЗАО НИИМВ)

Ведущая организация: Институт общей и неорганической химии

им. Н.С.Курнакова РАН

Защита диссертации состоится « 10 » __декабря__2009 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.132.06 в Государственном технологическом университете “Московский институт стали и сплавов”по адресу: 119049, г. Москва, Крымский вал, д. 3, ауд. 421

Отзывы на автореферат и диссертацию отправлять по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4, МИСиС

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГТУ “МИСиС”

Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук

профессор В.В.Гераськин

Общая характеристика работы

Актуальность. Стратегия развития науки и инноваций в Российской Федерации на период до 2015 г. направлена на развитие исследований в области нанотехнологий и наноматериалов и внедрение их результатов в промышленное производство.

Современная электроника характеризуется быстрым технологическим прогрессом, который приводит к уменьшению размеров объектов по экспоненциальному закону и развитию нанотехнологии, имеющей дело с объектами нанометровых размеров (параметр которых хотя бы в одном измерении составляет не более 100 нм), и способами их получения. Для развития электроники на основе нанотехнологии находят применение новые материалы, представляющие углеродные нанокристаллические материалы и металлоуглеродные нанокомпозиты, которые в наномасштабе являются дисперсиями неорганических веществ (размер частиц приблизительно от 1 до 100 нм) в углеродной матрице, раскрывающими широкие возможности для контролируемого получения выгодных физико-химических свойств для различных применений.

Влияние квантово-размерного эффекта наноструктуры на свойства вещества, развитие органических полупроводников и открытие новых аллотропных форм углерода (фуллерен, углеродные нанотрубки, углеродная пена, графен) стимулировали интерес к синтезу новых углеродных нанокомпозитов с модифицированными химическими свойствами на основе полимеров, которые содержат искривленные углеродные плоскости (сферические, кольцеподобные и тубуленоподобные образования). Типы гибридизации sp1, sp2 и sp3 химических связей атомов углерода и присутствие гетероатомов предполагает возникновение новых углеродных наноструктур, которые изменяют физические и химические свойства (электрическую проводимость, оптоэлектронные свойства, плотность, адсорбцию, работу выхода электронов, электромагнитное поглощение, каталитические и сенсорные свойства), что обеспечивает возможность изготовления электронных устройств, сопряженных с биологическими субстанциями.

Синтез функциональных углеродных нанокристаллических материалов и металлоуглеродных нанокомпозитов с помощью термообработки является экономически эффективным методом, так как он основан на принципе самоорганизации, что позволяет введением малого количества наночастиц с высокой удельной поверхностью обеспечивать получение требуемых свойств материалов.

Получение углеродных наноматериалов на основе полимеров под действием ИК нагрева решает важную экологическую проблему, так как полимеры обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и сохраняются в естественных условиях в течение длительного времени.

В настоящее время не разработаны основы технологии получения металлоуглеродных нанокомпозитов и углеродного нанокристаллического материала при инфракрасном (ИК) нагреве полимеров, которые представляют актуальные задачи в технологии наноматериалов.

Основной целью работы является разработка теоретических и экспериментальных основ технологии получения под действием ИК нагрева нанокомпозитов Cu/C, Fe/C, Co/C, Ni/C, Ag/C, Si/C, SiC/C, Si3N4/C, B4C3/C, CdS/C, Al/C, Al4C3/C, AlN/C и углеродного нанокристаллического материала на основе полиакрилонитрила, поливинилового спирта, полиэтилентерефталата, исследование их физических и химических свойств и применение материалов для изготовления электродов рН-метров, сенсоров, светодиодов, катализаторов, материалов для спинтроники и соединения элементов электронных устройств.

Конкретные задачи исследования заключались в следующем:

- изучить кинетику и механизм химических превращений в полиакрилонитриле (ПАН), поливиниловом спирте (ПВС) и полиэтилентерефталате (ПЭТФ) и в композитах на основе ПАН, ПВС, ПЭТФ и солей металлов (Cu, Fe, Co, Ag, Ni) под действием ИК нагрева в зависимости от температуры, атмосферы нагрева, скорости нагрева, продолжительности нагрева;

- исследовать структурные превращения в углеродном материале под действием ИК нагрева, механизм протонной проводимости и влияние на этот процесс структуры и химического состава углеродного материала с помощью полуэмпирической квантово-химической расчетной схемы модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием в рамках модели ионно-встроенного ковалентно-циклического кластера одноатомного слоя углеродного материала на основе полиакрилонитрила, подвергнутого ИК нагреву;

- изучить свойства (структура, морфология, химический состав, электропроводность, ВАХ, поверхностный химический состав, сенсорные и каталитические свойства) полученных металлоуглеродных нанокомпозитов и углеродного нанокристаллического материала;

- на основе результатов исследования кинетики, структуры, физико-химических и электрофизических свойств разработать теоретические и экспериментальные основы технологии получения под действием ИК нагрева углеродного нанокристаллического материала, углеродных нанотрубок и металлоуглеродных нанокомпозитов на основе ПАН, ПВС, ПЭТФ и солей металлов (Cu, Fe, Co, Ag, Ni), нанокомпозитов SiC/C, Si3N4/C, B4C3/C, CdS/ПАН в виде пленок и порошков с контролируемыми свойствами и структурой;

- разработать и экспериментально обосновать оптимальные технологические условия получения предложенным способом:

нанокомпозита Ag/полиакрилонитрил для низкотемпературного соединения диодных, триодных структур с молибденовыми термокомпенсаторами, используемого при изготовлении силовых полупроводниковых приборов и модулей на их основе;

нанокомпозита Cu/С, способного катализировать окисление метанола CH3OH для изготовления топливного элемента;

углеродного нанокристаллического материала, проявляющего сенсорные свойства;

нанокомпозитов для изготовления светодиодов;

углеродных нанотрубок, модифицированных наночастицами металла.

Научная новизна работы:

1. Установлен и теоретически обоснован механизм образования металлоуглеродных нанокомпозитов на основе полиакрилонитрила, поливинилового спирта, полиэтилентерефталата и солей металлов, выявлены зависимости их физико-химических свойств от условий процесса (температуры, продолжительности, атмосферы реакционной камеры, скорости нагрева), и разработан новый способ получения металлоуглеродных нанокомпозитов при ИК нагреве (Патент №2330864).

2. Теоретически и экспериментально обоснован способ получения углеродного нанокристаллического материала на основе полиакрилонитрила, поливинилового спирта и полиэтилентерефталата, изучен и математически обоснован механизм образования углеродного нанокристаллического материала и установлены зависимости его физико-химических свойств от условий процесса (температуры, продолжительности, атмосферы реакционной камеры, скорости нагрева) (Патентная заявка №2007148685/15(053345). 2007. Положительное решение).

3. Разработан и теоретически обоснован новый способ получения при ИК нагреве нанокомпозитов Si/C, Si3N4/C, B4C3/C, CdS/C на основе полиакрилонитрила и соединений полупроводников и определены механизм образования и зависимости их физико-химических свойств от условий процесса (температуры, продолжительности, атмосферы реакционной камеры, скорости нагрева).

4. Синтезирован новый материал на основе углеродных нанотрубок, модифицированных наночастицами Cu, распределенных в межслоевом пространстве и внутри канала нанотрубок, который актуален для изготовления эффективных теплоотводов и катализаторов.

5. Разработан способ получения углеродных нановолокон и нанотрубок, модифицированных наночастицами Ni, перспективный для их экономически эффективного синтеза при ИК нагреве.

6. Установлена и подтверждена с помощью моделирования в рамках модели ионно-встроенного ковалентно-циклического кластера протонная проводимость углеродного нанокристаллического материала, определяющая зависимость его электрохимического потенциала от рН среды.

7. В новом углеродном нанокристаллическом материале обнаружены фотоиндуцированный спектр в области 1,63 эВ и короткоживущая составляющая сигнала со временем жизни менее 100 фс, что открывает перспективы для изготовления оптоэлектронных устройств с высоким быстродействием.

8. Синтезировано новое летучее соединение карбонила меди CuCO при ИК нагреве нанокомпозита Cu/полиакрилонитрил, которое в перспективе обеспечивает низкотемпературное получение особо чистой Cu.

9. Установлено, что в результате ИК нагрева смеси Cu(OOCCH3)2·H2O/полиакрилонитрил синтезируются кристаллиты нового метастабильного соединения .

10. Показана биосовместимость углеродного нанокристаллического материала, полученного при ИК нагреве.

Практическая значимость работы:

1. С использованием математического моделирования и термодинамического расчета впервые разработаны и внедрены основы экономически эффективной технологии получения металлоуглеродных нанокомпозитов и углеродного нанокристаллического материала при ИК нагреве полимеров.

2. Впервые получен при ИК нагреве биосовместимый углеродный нанокристаллический материал с высокой чувствительностью к рН среды (Патентная заявка №2007148685/15(053345). 2007. Положительное решение). (Акт о сенсорных свойствах углеродного нанокристаллического материала и применении его в устройстве для определения чистоты воды. Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского).

3. Синтезирован впервые нанокомпозит Ag/полиакрилонитрил для соединения при 100 0С и Р=1 кг/см2 диодных, триодных структур с молибденовыми термокомпенсаторами. (Акт о применении материала с наночастицами серебра в технологии изготовления электронных устройств. Всероссийский электротехнический институт).

4. Синтезирован при ИК нагреве нанокомпозит Cu/С, способный при 25 оС катализировать окисление метанола, перспективный для изготовления топливного элемента (Патент №2330864).

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты изучения гетерогенной кинетики и механизмов химических превращений в полиакрилонитриле (ПАН), поливиниловом спирте (ПВС), полиэтилентерефталате (ПЭТФ), в смесях на основе полиакрилонитрила, поливинилового спирта, полиэтилентерефталата, солей металлов (Cu, Fe, Co, Ag, Ni, Cd, Al), кремнийорганических соединений, борной кислоты под действием ИК нагрева в зависимости от температуры, атмосферы, скорости, продолжительности нагрева;

- основы оптимальных технологий получения углеродного нанокристаллического материала, углеродных нанотрубок, металло- и полупроводниковоуглеродных нанокомпозитов;

- зависимости структуры, состава и свойств полученных углеродных нанокристаллических материалов и металло- и полупроводниковоуглеродных нанокомпозитов от параметров нагрева (скорости нагрева, температуры, продолжительности нагрева, состава атмосферы в реакторе);

- результаты моделирования структуры одноатомного слоя углеродного материала на основе полиакрилонитрила с помощью полуэмпирической квантово-химической расчетной схемы модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием в рамках модели ионно-встроенного ковалентно-циклического кластера;

- результаты применения ИК нагрева полимеров и смесей на основе солей металлов и полимеров для получения углеродного нанокристаллического материала для создания электрода, чувствительного к рН среды; сенсора на присутствие СО2; нанокомпозита Ag/полиакрилонитрил для низкотемпературного соединения; нанокомпозита Cu/С, способного при 250С катализировать окисление CH3OH.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях, включающих: III Российско-японский семинар “Оборудование и технология для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов”. Москва. 8-9 февраля 2005 г.; 2 Международную конференцию “Физика электронных материалов”. Калуга. 24-27 мая 2005 г.; IV Российско-японский семинар “Перспективы технологии и оборудования для материаловедения, микро- и наноэлектроники”. Астрахань. 22-23 мая 2006 г.; 2 Теренинскую научно-практическую конференцию “Взаимодействие света с веществом”. Калуга. 5-6 мая 2006 г.; Пятую Международную конференцию “Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология.” МГУ им.М.В.Ломоносова. 18-20 октября 2006 г.; VI Международную конференцию "Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий". Московский государственный индустриальный университет. Москва. 20-24 ноября 2006 г.; The 12th ISTC (International Science and Technology Center)/Korea Workshop. Ulsan. South Korea. October 17-18. 2006.; Международную конференцию “Современные тенденции развития нанотехнологий и наноматериалов”. Астрахань. 23-24 мая 2007 г.; V Российско-Японский семинар “Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники”. Саратов. 18-19 июня 2007 г.; VI Российско-Японский семинар “Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов”. Усть-Каменогорск. 24-25 июня 2008 г.; Всероссийскую научно-практическую конференцию "Наноматериалы и нанотехнологии: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области". Волгоград. 9-11 декабря 2008 г.; Научную конференцию ИНХС РАН, посвященную 75-летию Института. Москва. 6-8 апреля 2009 г.; VII Международную Российско-Японско-Казахстанскую научную конференцию “Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов”. Волгоград. 3-4 июня 2009 г.; IX Международную научную конференцию “Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии”. Кисловодск. 11  16 октября 2009 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 61 научных работ, в том числе 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов на соискание ученой степени доктора наук.

Личный вклад автора

Автором лично определена идеология всей работы, сформулирована цель и задачи работы, осуществлена постановка теоретических и экспериментальных исследований и их практическая реализация, проведено обобщение представленных в диссертации результатов. Отдельные результаты работы получены и опубликованы в печати в соавторстве с сотрудниками МИСиС, ИНХС им.А.В.Топчиева РАН, МИЭМ, ИОНХ им.Н.С.Курнакова РАН.

Структура и объем работы

Диссертация содержит введение, пять глав, выводы, список цитируемой литературы из 133 источника. Работа включает 271 страницу текста, 22 таблицы и 80 рисунков.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы их основная цель и конкретные задачи, научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации “Современное состояние в методах, технологии получения и применении углеродного нанокристаллического материала и металлоуглеродных нанокомпозитов с контролируемыми физико-химическими свойствами” посвящена критическому анализу методов получения углеродных наноматериалов и металлоуглеродных нанокомпозитов; физико-химическим свойствам углеродных наноматериалов и металлоуглеродных нанокомпозитов; существующим представлениям о механизме процессов превращений в полиакрилонитриле, поливиниловом спирте, полиэтилентерефталате и металлополимерных композитах, содержащих металлы (Cu, Fe, Co, Ag, Ni) при термической обработке. На основе анализа недостатков методов получения формируется цель и постановка задач исследования.

Вторая глава диссертации “Разработка основ технологии получения углеродного нанокристаллического материала с помощью ИК-нагрева” посвящена описанию свойств исходных материалов и разработке основ технологии получения углеродного нанокристаллического материала с помощью ИК нагрева на основе полиакрилонитрила, поливинилового спирта и полиэтилентерефталата, моделированию особенностей структурных превращений под действием ИК нагрева в углеродном материале и влияния структуры и химического состава углеродного материала на механизм протонной проводимости. В этой главе изучены экспериментальные данные кинетики и механизмов гетерогенных химических превращений под действием ИК нагрева в углеродном нанокристаллическом материале на основе перечисленных полимеров.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.