Помощь студентам в учебе
Использование углеродных нанотрубок в углерод-углеродных композитах
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 11
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ 12
1.1 Композиционные материалы. Классификация, матрица, наполнители 12
1.1.1 Матрица композиционных материалов 13
1.1.2 Наполнители и армирующие элементы в композиционных материалах . 14
1.2 Полимерные композиционные материалы 16
1.2.1 Термореактивные полимеры 16
1.2.2 Термопластичные полимеры 19
1.2.3 Достоинства и недостатки композитов с полимерной матрицей 19
1.2.4 Применение полимерных композиционных материалов 20
1.3 Углерод - углеродные композиционные материалы 21
1.3.1 Применение углерод-углеродных композиционных материалов 22
1.4 Строение и структура углеродных нанотрубок 22
1.5 Свойства углеродных нанотрубок 25
1.6 Синтез УНТ 26
1.6.1 Термическое распыление 26
1.6.2 Лазерное распыление 27
1.6.3 Крекинг углеводородов 28
1.6.4 Электрохимический метод 28
1.7 Области применения углеродных нанотрубок 29
1.8 Углеродные нанотрубки как модифицирующая добавка к композиционным
материалам 30
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
2.1 Объекты исследования 41
2.2 Методы получения образцов для исследования 42
2.2.1 Метод получения углеродных нанотрубок пиролизом ацетилена 42
2.2.2 Метод получения функционализированных углеродных нанотрубок 44
2.2.3 Метод получения полимер - углеродных композитов 45
2.2.4 Метод получения образцов «смола - УНТ» и «смола -
функционализированные УНТ» 45
2.3 Методы исследования приготовленных образцов 46
2.3.1 Метод электронной микроскопии 46
2.3.2 Метод ИК-спектрометрии 49
2.3.4Методика определения удельного электрического сопротивления (УЭС) .... 52
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И
ВЫВОДЫ 55
3.1 Результаты исследований, проведенных на растровом электронном
микроскопе 55
3.2 Результаты ИК-спектроскопии 60
3.3 Результаты испытаний на разрушающее напряжение при сжатии 61
3.4 Результаты исследования по определению удельного электрического
сопротивления 65
3.5 Обсуждение результатов и выводы 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 74
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А 80
ВВЕДЕНИЕ 8
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 11
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ 12
1.1 Композиционные материалы. Классификация, матрица, наполнители 12
1.1.1 Матрица композиционных материалов 13
1.1.2 Наполнители и армирующие элементы в композиционных материалах . 14
1.2 Полимерные композиционные материалы 16
1.2.1 Термореактивные полимеры 16
1.2.2 Термопластичные полимеры 19
1.2.3 Достоинства и недостатки композитов с полимерной матрицей 19
1.2.4 Применение полимерных композиционных материалов 20
1.3 Углерод - углеродные композиционные материалы 21
1.3.1 Применение углерод-углеродных композиционных материалов 22
1.4 Строение и структура углеродных нанотрубок 22
1.5 Свойства углеродных нанотрубок 25
1.6 Синтез УНТ 26
1.6.1 Термическое распыление 26
1.6.2 Лазерное распыление 27
1.6.3 Крекинг углеводородов 28
1.6.4 Электрохимический метод 28
1.7 Области применения углеродных нанотрубок 29
1.8 Углеродные нанотрубки как модифицирующая добавка к композиционным
материалам 30
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
2.1 Объекты исследования 41
2.2 Методы получения образцов для исследования 42
2.2.1 Метод получения углеродных нанотрубок пиролизом ацетилена 42
2.2.2 Метод получения функционализированных углеродных нанотрубок 44
2.2.3 Метод получения полимер - углеродных композитов 45
2.2.4 Метод получения образцов «смола - УНТ» и «смола -
функционализированные УНТ» 45
2.3 Методы исследования приготовленных образцов 46
2.3.1 Метод электронной микроскопии 46
2.3.2 Метод ИК-спектрометрии 49
2.3.4Методика определения удельного электрического сопротивления (УЭС) .... 52
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И
ВЫВОДЫ 55
3.1 Результаты исследований, проведенных на растровом электронном
микроскопе 55
3.2 Результаты ИК-спектроскопии 60
3.3 Результаты испытаний на разрушающее напряжение при сжатии 61
3.4 Результаты исследования по определению удельного электрического
сопротивления 65
3.5 Обсуждение результатов и выводы 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 74
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А 80
Одна из основных задач химии - разработка и создание новых материалов для различных областей техники.
Условно материалы можно разделить на функциональные и конструкционные. Существенными условиями, определяющими высокие показатели функциональных материалов и изделий на их основе, являются достижение необходимого химического, фазового и морфологического состава синтезированных продуктов. Под термином "функциональные материалы" понимают широкий класс веществ, которые используются в самых разнообразных областях современной жизни: от микроэлектроники до космических
исследований и обладают вполне определенными физическими и химическими свойствами. К таким материалам, в частности, могут быть отнесены композиты, сплавы, полимерные соединения.
Конструкционные материалы - это материалы, из которых изготовляются детали конструкций(машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. К основным критериям качества таких материаловотносятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность,вязкость,надежность.
Длительныйпериод в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд ограниченный круг материалов. Промышленный переворот ХУШвека идальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление двигателей внутреннегосгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при больших нагрузках, повышенных температурах.
Основой конструкционных материалов стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали),меди, латуни, свинца и олова. Развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах,титановых,алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высокихтемпературах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывноусложнявшиеся 8
требования к конструкционным материалам (температурная
стойкость,износостойкость, электрическая проводимость и др.). Развитие атомной энергетики связано с применением материалов, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но иудовлетворяющих новому требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.
Перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов изэлементов, имеющих предельные значения свойств, например, предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных. Такие материалы составляют новый класс композиционных конструкционных материалов. В них используются высокопрочные элементы (волокна,нити,проволока, нитевидные кристаллы,гранулы,дисперсные
высокотвёрдые и тугоплавкие соединения),связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или
неметаллических,преимущественнополимерных,материалов) [1].
В настоящее время ведутся работы, направленные не только на синтез таких композиционных материалов, но и на введение в синтезированные или уже существующие материалы различных добавок, обеспечивающих повышение качества продукции и придание ей уникальных свойств. В частности, активно исследуется введение углеродных нанотрубок, обладающих высокими показателями по физико-механическим свойствам, в различные композиционные материалы. Поэтому актуальной представляется задача исследования влияния УНТ на механические и электрофизические свойства углеродсодержащих композиционных материалов, например материалов на основе графитовых наполнителей и связующих смол.
Исходя из этого сформулирована следующая цель выпускной квалификационной работы - изучить влияние углеродных нанотрубок на структуру и свойства углерод-углеродных композиционных материалов.
В рамках заявленной цели поставлены следующие задачи:
1 Выполнить обзор литературных данных о применении, свойствах, методах получения и структуре композиционных материалах, и, в частности, полимерных и углерод-углеродных композитах.
2 Выполнить обзор данных о строении и свойствах углеродных нанотрубок.
3 Провести синтез углеродных нанотрубок методом пиролиза ацетилена в трубчатой печи, контактирующего со слоем никелевого катализатора на поверхности подложки.
4 Провести функционализацию синтезированныхнанотрубок кипячением к смеси кислот.
5 Получить полимерные композиты с добавлением синтезированных углеродных нанотрубок и с добавлением функционализированныхнанотрубок.
6 Выполнить структурно-морфологические исследования компонентов и образцов композитов.
7 Провести исследование физико-механических свойств полученных композитов.
Условно материалы можно разделить на функциональные и конструкционные. Существенными условиями, определяющими высокие показатели функциональных материалов и изделий на их основе, являются достижение необходимого химического, фазового и морфологического состава синтезированных продуктов. Под термином "функциональные материалы" понимают широкий класс веществ, которые используются в самых разнообразных областях современной жизни: от микроэлектроники до космических
исследований и обладают вполне определенными физическими и химическими свойствами. К таким материалам, в частности, могут быть отнесены композиты, сплавы, полимерные соединения.
Конструкционные материалы - это материалы, из которых изготовляются детали конструкций(машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. К основным критериям качества таких материаловотносятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность,вязкость,надежность.
Длительныйпериод в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд ограниченный круг материалов. Промышленный переворот ХУШвека идальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление двигателей внутреннегосгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при больших нагрузках, повышенных температурах.
Основой конструкционных материалов стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали),меди, латуни, свинца и олова. Развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах,титановых,алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высокихтемпературах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывноусложнявшиеся 8
требования к конструкционным материалам (температурная
стойкость,износостойкость, электрическая проводимость и др.). Развитие атомной энергетики связано с применением материалов, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но иудовлетворяющих новому требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.
Перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов изэлементов, имеющих предельные значения свойств, например, предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных. Такие материалы составляют новый класс композиционных конструкционных материалов. В них используются высокопрочные элементы (волокна,нити,проволока, нитевидные кристаллы,гранулы,дисперсные
высокотвёрдые и тугоплавкие соединения),связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или
неметаллических,преимущественнополимерных,материалов) [1].
В настоящее время ведутся работы, направленные не только на синтез таких композиционных материалов, но и на введение в синтезированные или уже существующие материалы различных добавок, обеспечивающих повышение качества продукции и придание ей уникальных свойств. В частности, активно исследуется введение углеродных нанотрубок, обладающих высокими показателями по физико-механическим свойствам, в различные композиционные материалы. Поэтому актуальной представляется задача исследования влияния УНТ на механические и электрофизические свойства углеродсодержащих композиционных материалов, например материалов на основе графитовых наполнителей и связующих смол.
Исходя из этого сформулирована следующая цель выпускной квалификационной работы - изучить влияние углеродных нанотрубок на структуру и свойства углерод-углеродных композиционных материалов.
В рамках заявленной цели поставлены следующие задачи:
1 Выполнить обзор литературных данных о применении, свойствах, методах получения и структуре композиционных материалах, и, в частности, полимерных и углерод-углеродных композитах.
2 Выполнить обзор данных о строении и свойствах углеродных нанотрубок.
3 Провести синтез углеродных нанотрубок методом пиролиза ацетилена в трубчатой печи, контактирующего со слоем никелевого катализатора на поверхности подложки.
4 Провести функционализацию синтезированныхнанотрубок кипячением к смеси кислот.
5 Получить полимерные композиты с добавлением синтезированных углеродных нанотрубок и с добавлением функционализированныхнанотрубок.
6 Выполнить структурно-морфологические исследования компонентов и образцов композитов.
7 Провести исследование физико-механических свойств полученных композитов.
По окончании исследования получены следующие результаты:
1 Выполнен обзор литературных данных о применении, свойствах, методах получения и структуре композиционных материалах, и, в частности, полимерных и углерод-углеродных композитах, а также обзор данных о строении и свойствах углеродных нанотрубок.
2 Синтезированы углеродные нанотрубки методом пиролиза ацетилена в трубчатой печи, контактирующего со слоем никелевого катализатора на поверхности подложки.Проведена функционализация синтезированных нанотрубок.
3 Получены полимерные композиты с добавлением синтезированных углеродных нанотрубок и с добавлением функционализированныхнанотрубок.
4 Выполнены структурно-морфологические исследования компонентов и образцов композитов.Проведеныиспытания на разрушающее напряжение при сжатии и определено удельное электрическое сопротивление полученных композитов.
5 Установлено, что введение в состав образцов полимерного композита углеродных нанотрубок изменяет их механическую прочность. Увеличение прочности на сжатие происходит при введении функциональных углеродных нанотрубок в количестве 1 % об.
6 Введение углеродных нанотрубок понижает удельное электрическое сопротивление образцов полимер-углеродного композита в составах с содержанием до 40 % ФФС.
1 Выполнен обзор литературных данных о применении, свойствах, методах получения и структуре композиционных материалах, и, в частности, полимерных и углерод-углеродных композитах, а также обзор данных о строении и свойствах углеродных нанотрубок.
2 Синтезированы углеродные нанотрубки методом пиролиза ацетилена в трубчатой печи, контактирующего со слоем никелевого катализатора на поверхности подложки.Проведена функционализация синтезированных нанотрубок.
3 Получены полимерные композиты с добавлением синтезированных углеродных нанотрубок и с добавлением функционализированныхнанотрубок.
4 Выполнены структурно-морфологические исследования компонентов и образцов композитов.Проведеныиспытания на разрушающее напряжение при сжатии и определено удельное электрическое сопротивление полученных композитов.
5 Установлено, что введение в состав образцов полимерного композита углеродных нанотрубок изменяет их механическую прочность. Увеличение прочности на сжатие происходит при введении функциональных углеродных нанотрубок в количестве 1 % об.
6 Введение углеродных нанотрубок понижает удельное электрическое сопротивление образцов полимер-углеродного композита в составах с содержанием до 40 % ФФС.
