Баро-электро-термо-акустический анализ в прогнозировании жизненного цикла композиционных материалов на основе графена

Размещено на http://www.allbest.ru/

БАРО-ЭЛЕКТРО-ТЕРМО-АКУСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ В ПРОГНОЗИРОВАНИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА

Стаценко Т.Г.

Стремительное развитие нанотехнологий, создание и использование наноматериалов в конструирование изделий, требуют решения ряда проблем, связанных с определением их долговечности, надежности и устойчивости физико-химических свойств.

Графен, двумерный монослой sp²- связанных атомов углерода, привлекает все большее внимание в последние годы, главным образом из-за его необычайно высокой электрической и термальной проводимости, механической прочность и большой удельной площади поверхности. Графен очень прочен и гибок. Он уникален тем, что способен проявлять свойства как проводника, так и полупроводника. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах [1].

С материаловедческой точки зрения однослойный графен - это не материал, а вещество; больше того, это отдельная молекула и, надо сказать, не самая большая из известных. С химической точки зрения однослойный графен - это полимер, причём всего одна молекула полимера с массой около одного пикограмма (рисунок 1) [2].

Рисунок 1 - 3D-зонная структура графена [3]

Взаимное влияние графена и металлосодержащих наночастиц может привести к созданию новых материалов, обладающих сверхновыми свойствами. Наночастицы металлов и их оксидов проявляют уникальные свойства, отличные от свойств массивных объектов. При уменьшении размера частиц изменяются тепловые, магнитные, адсорбционные, электрохимические и каталитические характеристики таких материалов, что связано с влиянием размерного фактора [4].

Одним из эффективных подходов в создании новых материалов является нанесение металлов и их оксидов на поверхность различных носителей, что позволяет создать большое число потенциальных центров каталитических, сорбционных и электрохимических реакций [6]. Композиты графена вызывают научный и промышленный интерес из-за возникновения максимума проводимости и активной способности к адсорбции на своей поверхности различные ноночастицы металлов и их оксидов [6].

Одна из ключевых областей в применении передовых методов в производстве материалов на основе графена, это сочетание структурных функций в встроенной электронике с экологической безопасностью.

При исследованиях и испытаниях надежности и долговечности материалов и изделий из них, обычно применяются термостаты, криостаты, термобарокамеры и способы термоциклирования и термобаронагружения в них соответственно, в т.ч. для их ускоренного «старения» [7].

Общепринятые решения проблем надежности и долговечности материалов и изделий из них становятся малоэффективными в случаях с нанометриалами, в связи с чем, требуются принципиально новые вероятностно - физические подходы к решению указанных проблем, т.е. новые методы и средства регистрации нано-, и микро, и макроизменения наноматериалов [8].

Представляется актуальными применение нового метода, синхронно-сопрягающего термический и акустико-эмиссионный анализ, а также создание автоматизированной установки, его реализующей, позволяющих перейти к количественным показателям для оценки долговечности и устойчивости физико-химических свойств в условиях эксплуатации, включая их изменения в результате старения [9].

Для объективации регистрации вышеперечисленных параметров, а также. для повышения достоверности идентификации процессов нано-, микро- и макроизменений в материалах, было предложено синхронизировать с методами термического анализа и электрометрии - метод акустической эмиссии, а сопряжение их с ИК Фурье-спектрометром и микроскопом провести через "кварцевые окна" в термокриостате-электропечи [9], чтобы при анализе продуктов деструкции избавиться от процессов их конденсации на стенках газовых кювет и "температурных проблем" газового анализа (температурных ограничений, поддержания равенства температур отводимых в спектрометр газов и т.д.).

Если сопряжение ИК Фурье-спектрометра с дериватографом является общепринятым решением, например, для идентификации состава продуктов деструкции, то комплексирование методов термического анализа, электрометрии и акустической эмиссии было выполнено нами впервые [10].

Так для определения "порога протекания" и интенсивности процессов нано-, микро- и макродеструкции в материалах, а также вычисления эффективной энергии активации "каналов протекания" в частности, предложено была использовать на 2-х стадийную ая модель излучения акустической эмиссии, описывающую переход от рассеянного к локализованному дефектообразованию, которая дает возможность обнаружения такого перехода по сигналам акустической эмиссии, т.к. фиксирует единичные акты с энергией до 10^-15 Дж [11]. Применение этой модели позволяет диагностировать предразрушающее состояние образца в рамках концентрационного критерия разрушения [11-13].

Метод термобароденсиметрии, объединенный с методами электрометрии, акустической эмиссии, ИК Фурье-спектрометрии и микроскопии, при использовании термодинамических акустико-эмиссионных эталонов, позволяет решить проблемы метрологии нано-, микро- и макроизмерений, а также проводить диагностику нано-, микро- и макроматериалов и идентифицировать состояние их "жизненного цикла" с привлечением критериев подобия, что повышает точность и достоверность результатов диагностики, и позволяет получить ценную (во многих случаях безальтернативную) информацию о "старении" материалов [14].

Применение данного метода для анализа структуры старения производных графена позволит определить нанодеструкцию, возникновение структурных изменений и появление дефектов (полостей, дислокаций и т.д.), образующихся под воздействием силовых, температурных и электромагнитных полей. Такая диагностика позволит выявить процессы нанодеструкции, протекающие в композиционных материалах не только с графеном, но и с иммобилизованным материалом на его поверхности. Так например за 24 часа, при использование баро-электро-термо-акустического анализа синхронно вычисляются 38 параметров в режиме ускоренного старения, как за 24 года эксплуатации!

графен старение композитный одноатомный

Список литературы

1. Novoselov, K. S. Electric field effect in atomically thin carbon films/ Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S. A.//Science. - 2004. - Т. 306. - № 5696. - С. 666-669.

2. Губин, С.П. Графен и материалы на его основе / С.П. Губин, С.В. Ткачев // Наносистемы.- 2010. - Том 2. - №1-2. - С.99-137

3. Avouris P. Graphene: Electronic and Photonic Properties and Devices // Nano Lett., 2010, 10, 11, 4285-4294.

4. Пат.№ 2194666 РФ, МПК7 С 01 В 13/34. Наноструктурные окиси и гидроокиси и способы их синтеза / Т.Д. Ксиао и др. - № 98115315/12; Заявл. 18.11.97; Опубл. 20.12.02, Бюл. №35.

5. Chen J., Bradhurst D.H., Dou S.X., Liu H.K. Nickel hydroxide as an active material for the positive electrode in rechargeable alkaline batteries // J. Electrochem. Soc. - 1999. - V. 146, N 10. - P. 3606-3612.

6. Y Xu, H Bai, G Lu, C Li, G Shi; Flexible graphene films via the filtration of water-soluble noncovalent functionalized graphene sheets. - Journal of the American Chemical Society, 2008

7. Буловский П.И., Зайденберг М.Г. Надежность приборов систем управления /Справоч. пос./ - Л.: Машиностроение, 1975, с.266-273, с.289-298.

8. Белозеров В.В., Босый С.И., Буйло С.И., Видецких Ю.А., Викулин В.В., Прус Ю.В. ОКТАЭДР: метод и комплекс термоакустометрии с синхронным термическим анализом веществ и материалов //Современные наукоемкие технологии.- 2005.- № 11, с.26-27.

9. Белозеров В.В., Босый С.И. Диагностика опасности материалов методом баротермоэлектрометрии, сопряженной с акустической эмиссией //Фундаментальные исследования. - 2008. - №2, с.116-120..

10. Белозеров В.В., Белозеров В.В., Босый С.И., Панченко Е.М., Удовиченко Ю.И. Способ синхронно-сопряженного термического анализа веществ и материалов и установка для его осуществления - Патент РФ на изобретение № 2343467 от 10.01.2009.

11. Буйло С.И., Козинкина А.И. К вопросу об оценке накопления повреждений и момента перехода от рассеянного к локализованному дефектообразованию по восстановленным значениям потока актов акустической эмиссии //ФТТ.- 1996.- т.38, N11, с.3381-3384.

12. Буйло С.И. Применение явления акустической эмиссии для диагностики предразрушающего состояния угольного пласта //Современные проблемы механики сплошной среды: сб. тр. 3-й Междунар. конф./т.1 под ред. акад. РАН И.И. Воровича - Ростов н/Д: МП Книга, 1997, с.60-63.

13. Буйло С.И. Определение параметров процесса накопления повреждений и оценка критерия разрушения по восстановленным значениям потока актов акустической эмиссии //Дефектоскопия.- 1997.- №7, с.84-89.

14. Белозеров В.В., Босый С.И., Буйло С.И., Прус Ю.В., Удовиченко Ю.И. Способ термодинамического акустико-эмиссионного эталонирования и система его реализующая - Патент РФ на изобретение № 2399910 от 20.09.2010.

Размещено на Allbest.ru