WMI - całość.pdf - WMI - centro92

1.Nowoczesne struktury węglowe – rodzaje, cechy, zastosowanie.

(opracowano na podstawie wykładów „Materiały węglowe ” Politechniki Szczecińskiej i Gdańskiej .)

Główne zastosowania :

• Materiały porowate: konstrukcyjne izolacyjne

• Włókna węglowe do zbrojenia lamintów (kompozytów) oraz rzadziej osnowa w kompozytach

• Materiały biomedyczne

• Materiały izolacyjne i chemoodporne

• Materiały specjalne (nanomateriały)

Nanostruktury węglowe

Węgiel występuje w przyrodzie w postaci kilku odmian alotropowych: grafitu, diamentu, węgla

amorficznego, fulerenów oraz rurek węglowych.

Grafit i sadza

Te dwie odmiany alotropowe węgla znalazły największe zastosowanie w przemyśle. Wszystkie

wiązania w graficie mają charakter wiązania amorficznego.

Grafit , podobnie jak metale, charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym w obrębie

warstwy, jednak o wiele gorszym w kierunku prostopadłym do warstw. Warstwy grafitu oddziałują ze

sobą słabymi wiązaniami van der Waalsa. Odległości między atomami węgla w obrębie jednej

warstwy (na jednej płaszczyźnie) wynoszą 0,142 nm, natomiast odległości między płaszczyznami‐

0,335 nm, z tego względu grafit wykazuje anizotropię właściwości fizycznych (w tym przewodnictwa

elektrycznego i cieplnego). Można go łatwo rozłupywać wzdłuż warstw, co daje mu wysokie

właściwości smarne.

Grafit jest wykorzystywany do wyrobu suchych smarów, płyt i tygli ogniotrwałych, grafitu do

ołówków, elektrod, części poślizgowych kontaktów elektrycznych, materiałów polerskich,

wypełniaczy kompozytów, moderatorów w reaktorach jądrowych, czarnych farb absorbujących

promieniowanie o dużej energii oraz lakierów chroniących przed korozją.

Sadza jest bezpostaciową odmianą grafitu, znalazła zastosowanie w przemyśle gumowym i tworzyw

sztucznych, jako wypełniacz oraz do produkcji farb i tuszu.

Diament

Jest alotropową odmianą węgla o strukturze regularnej. Przeźroczysty, wykazuje izotropię

właściwości we wszystkich kierunkach, jest jednym z najtwardszych materiałów, charakteryzuje się

dużą gęstością, brakiem przewodnictwa elektrycznego oraz doskonałym przewodnictwem cieplnym.

Model struktury diamentu

Ma duży współczynnik załamania światła, dzięki czemu znalazł zastosowanie w jubilerstwie ‐ brylant

to oszlifowany diament. Proszek diamentowy (z diamentów syntetycznych) stosuje się do produkcji

materiałów ściernych oraz narzędzi tnących i skrawających. Służy również do wyrobu ciągadeł drutów

i włókien sztucznych oraz do wyrobu twardościomierzy.

Cienkie warstwy diamentopodobne DLC (diamond‐ like carbon) są materiałem inżynierskim o dużej

twardości, jednak znacznie mniejszej niż twardość czystego diamentu. Uzyskiwane są na dużą skalę za

pomocą metody plazmowej CVD w trakcie nakładania cienkich warstw DLC na inne materiały.

Warstwy DLC charakteryzują się dużą odpornością chemiczną oraz przewodnictwem cieplnym. Są

stosowane w mikroelektronice, inżynierii biomedycznej, do utwardzania powierzchni oraz wszędzie

tam, gdzie istotne jest efektywne odprowadzanie ciepła.

Są to przestrzennie zamknięte, puste wewnątrz cząsteczki czystego węgla typu , w skład, których

wchodzi od kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Najbardziej trwałe i dostępne handlowo

odmiany to C60 i C70, składające się ze sprzężonych pierścieni pięcio‐ i sześcioatomowych. W

przyrodzie występuje znikoma ilość fulerenów.

Dobrze sublimują i rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Wewnętrzu cząstki fulereny

można również umieścić inne atomy, jony i cząsteczki, otrzymane fulereny nazywane są fulerenami

endohedralnymi.

Fulereny nie znalazły szerszego zastosowania, jednak przewiduje się, że znajdą zastosowanie w

katalizie, biochemii, optoelektronice, jako półprzewodniki i nadprzewodniki oraz jako dodatki

smarów, włókien i niektórych farmaceutyków (przy leczeniu choroby Alzheimera).

Nanorurki węglowe CNTs (Carbon Nanotubes)

Struktura nanorurek węglowych

Nanorurki węglowe rozpoczęły swą karierę w latach 90‐tych XX wieku. Wiele różnych struktur

nanorurek węglowych otrzymuje się przez dowolne zwinięcie struktury grafenu (grafen jest to

pojedyncza płaszczyzna grafitu, składająca się wyłącznie z atomów węgla po hybrydyzacji sp2 o

strukturze podobnej do plastra miodu).

Struktura jednościennej nanorurki węglowej:

Najczęściej spotykana średnica jednościennych nanorurek węglowych zawiera się w przedziale 0,8‐

1,6nm. Najwęższe nanorurki mają średnice 0,3‐ 0,4nm, natomiast największe‐ 2,4‐ 2,6nm. Powyżej

tego zakresu nanorurki węglowe są termodynamicznie nietrwałe. Podobnie jak grafit charakteryzują

się dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Niektóre z nich, w zależności od struktury

elektronicznej, wyróżniają się przewodnictwem metalicznym, a większość z nich

półprzewodnikowym. Jest to konsekwencją krzywizny płaszczyzny grafenowej i stwarza niezwykłe

możliwości zastosowania ich w elektronice. Zależnie od warunków syntezy nanorurek i mechanizmu

ich wzrostu można wyprodukować jednościenne SWCNTs (single Wall carbon nanotubes) oraz

wielościenne MWCNTs (multiwall carbon nanotubes) nanorurki węglowe, które składają się z wielu

współosiowych cylindrów odległych od siebie o stałą wartość równą 0,34nm. Współosiowe nanorurki

węglowe oddziałują na siebie siłami typu van der Waalsa, podobnie jak płaszczyzny grafenowe w

graficie.

Własności mechaniczne:

1. Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów.

Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63GPa. Dla porównania

hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu

1,3‐1,4g/cm³dajeto najlepszy rezultat spośród znanych ludzkości materiałów.

2. Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej

struktury łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił ściskających lub zginających.

Własności kinetyczne.

1. W nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrze warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia

wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska. Własności te wykorzystano do

konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów i

nanopotencjometrów.

Własności elektryczne

1. Nanorurki mogą być dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami. W teorii nanorurki

mogą przewodzić prąd o 1000‐krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe o

analogicznej masie. Dzięki zastosowaniu nanorurek udało się stworzenie tranzystora, który

do zmiany stanu (włączony/wyłączony) potrzebuje zaledwie jednego elektronu.

Własności cieplne

1. Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury, natomiast bardzo

słabo przewodzą ciepło w poprzek. Przewiduje się, że nanorurki węglowe mogą przewodzić

do 6000 W/m•K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity

przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m•K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800

stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu.

Konstrukcje

Choć włóka utworzone z nanorurek mogą nie mieć aż tak dobrych parametrów jak pojedyncze

nanorurki, wciąż mogą znacznie przewyższać współcześnie używane materiały. Obecnie pierwsze

takie materiały zostały już wytworzone. Na Tour de France 2006 Floyd Landi skorzystał z roweru

którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do

jednego kilograma.

Układy elektroniczne

Jedną z głównych przeszkód przed budowaniem większych układów był brak technologii do

tworzenia nanorurek w wystarczających ilościach. W 2001 roku IBM zademonstrował metodę

wytwarzania tranzystorów na Masową skalę, w procesie nazwanym "konstruktywną destrukcją".

Metoda ta umożliwiła stworzenie układu zawierającego ponad miliard właściwie ułożonych złącz z

nanorurek. Niewłaściwe łącza można było usunąć korzystając ze standardowej lotografii. W 2004

roku uzyskano pierwszy układ pamięci oparty o nanorurki.

2. Materiały dla energetyki i lotnictwa

Żaroodporność , odporność materiału na utlenianie i korozyjne działanie gazów oraz zmiany

kształtu w wysokich (ponad 800 K) temperaturach. Stale żaroodporne o wysokiej (do 25%)

zawartości chromu posiadają graniczną temperaturę pracy rzędu 1100-1450 K, dzięki czemu

mogą być wykorzystywane m.in. do wyrobu tygli do pieców solnych oraz dyszy i łopatek

turbin silników odrzutowych. Powłoką żaroodporną jest także warstwa Al2O3.

Żarowytrzymałość , w metaloznawstwie, odporność materiałów na obniżanie wytrzymałości

mechanicznej (np. na rozciąganie, zginanie itp.) w wysokiej temperaturze. Wzrost

żarowytrzymałości zapewniają zazwyczaj te same czynniki, które powodują wzrost

żaroodporności. Ponadto na wzrost żarowytrzymałości ma wpływ struktura drobnoziarnista

otrzymywana przez odpowiednią obróbkę cieplną.

Pełzanie

Pełzanie – powolna zmiana kształtu materiału (odkształcenie) wskutek działania stałych,

długotrwałych obciążeń, mniejszych od granicy sprężystości materiału. Pełzanie przebiega

znacznie szybciej w wysokich temperaturach, np. w przypadku rurociągów, w których

znajduje się gorący czynnik pod ciśnieniem, czy elementów turbin gazowych obciążonych

statycznie, ale pracujących w wysokich temperaturach.

WMI - całość.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: