NetNado
  Найти на сайте:

Учащимся

Учителям



Xxvi городская научно-практическая конференция обучающихся «Открытия юных» Секция «химия» физико-химический анализ объемно наноструктурного материала на основе меди



XXVI городская научно-практическая конференция обучающихся

«Открытия юных»

Секция «ХИМИЯ»

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБЪЕМНО НАНОСТРУКТУРНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МЕДИ

Никитин Павел Андреевич

Никифоров Иван Валерьевич

ученики 10 класса

МОУ «Лицей №2» г. Чебоксары

Научный руководитель:

Мокеева Надежда Ленстовна

учитель химии МОУ «Лицей №2»

Смирнов Валентин Михайлович

кандидат физико-математических наук

заведующий кафедрой технология работизированного производства

машиностроительного факультета ЧГУ

Чебоксары – 2011

Содержание:

  1. Введение…………………………………………………………………………..3

  2. Основная часть……………………………………………………………………4

  3. Заключение………………………………………………………………………..9

  4. Список литературы………………………………………………………………10

  5. Приложение………………………………………………………………………11


Введение

В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров (1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра). Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Первое упоминание в области нанотехнологий было сделано в 1867 году, когда Джеймс Максвелл предложил в качестве мысленного эксперимента — гипотетическое разумное существо микроскопического размера с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики. А первые наблюдения и измерения размеров наночастиц были сделаны во время первого десятилетия 20 века Ричардом Адольфов Зигмонди, который сделал детальное изучение золотых золей и других наноматериалов с размерами до 10 нм и менее. Зигмонди также был первым, кто использовал термин нанометр для характеристики размера частиц. Он определил ее как 10-9 метра. Так же он разработал первую классификацию системы, основанной на размере частиц в нанометровом диапазоне [2]. В 1920-х годах, Ирвинг Ленгмюра и Кэтрин Б. Блоджетт ввели понятие монослоя, слой материала толщиной в одну молекулу. В начале 1950-х, Дерягиним и Абрикосовой проведены первые измерения поверхностных сил [3]. А уже в конце XIX века начале XXI века стали появляться предприятия, которые производят наноматериалы.

В нашей республике также есть такое предприятие ООО «НПП «Иннотех» на базе машиностроительного факультета Чувашского государственного университета им. И.Н.Ульянова. На этом предприятии получают объемно наноструктурные материалы на основе меди. В процессе получения объемно наноструктурного материала могут образовываться различные соединения, которые снижают физические свойства материала, такие как электропроводимость, теплопроводность.

Поэтому целью данного исследования является проведение физико-химического анализа объемно наноструктурного материала на основе меди.

Для достижения цели нами были поставлены следующие задачи:

  1. Выяснить, что такое наноматериалы, нанотехнологии и наноструктурные материалы;

  2. Узнать каким методом получают объемно наноструктурные материалы на основе меди на предприятии ООО «НПП «Инотех»;

  3. Рассмотреть какие возможные реакции будут проходить между веществами в процессе получения материала;

  4. Просканировать поверхность образца объемно наноструктурного материала для определения его структуры и примесей в образце;

  5. Определить с помощью качественного анализа наличие образовавшихся веществ в исследуемом материале.

Для решения поставленных в работе задач нами были использованы такие методы исследования, как работа с литературой и Интернет ресурсами, сканирующая зондовая микроскопия, термодинамические расчеты, качественный анализ.

Объектом исследования являются объемно наноструктурные материалы. Предметом исследования являются объемно наноструктурные материалы на основе меди, полученные на предприятии ООО «НПП «Инотех».

Основная часть

Термин "нанотехнология" появился почти сорок лет назад. Сегодня  в этой области изучаются возможности механического управления молекулами различных материалов, а также управление молекулами посредством манипуляторов.

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнология, нанонаука, это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника, принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся: облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том что поверхность таких частиц или огромных молекул в миллионы раз превосходит объем самих частиц, такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира как то стол, книга, песок. Поведение таких систем сильно отличается от поведения истинных растворов и расплавов и от объектов макромира благодаря высокоразвитой поверхности, как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров, отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм[6].

Объемные наноструктурные материалы - это материалы, находящиеся в нанокристаллическом состоянии, а также содержащие наночастицы и используемые для изготовления конструкций разного назначения, деталей машин и механизмов. Природа материалов разнообразна, в этом состоянии могут находиться металлы, керамика, композиты и полимеры.
Объемные нанокристаллические материалы получают, в основном, методами кристаллизации из аморфного состояния, интенсивной пластической деформации и порошковой металлургии.

А объемно наноструктурный материал на основе меди, получаемый на предприятии ООО НПП “Инотех”, получают с помощью процесса механического легирования и горячей экструзии.

Механическое легирование является уникальным процессом производства соединений разнородных составляющих в форме порошка. Концепция механического легирования была предложена в 70-х годах XX века. Этот процесс заключается в смешивании элементов или основных составляющих сплавов (лигатур) в форме порошка, а также, при необходимости, с требуемой дисперсной фазой при использовании специальных высокоэнергетических шаровых мельниц – аттриторов с относительно высоким содержанием измельчающих шаров. Продуктом процесса является композиционный порошок, состоящий из однородной гомогенной смеси всех компонентов.

Механическое легирование позволяет получить соединения типа металл (сплав) – оксид или даже несмешивающиеся комбинации металла с металлом. Например, этот процесс используется для крупносерийного производства порошковых композиционных жаропрочных сплавов на основе никеля и железа, которые одновременно включают легирующие добавки для упрочнения твердого раствора, дисперсионного твердения и дисперсного упрочнения оксидами.

Оборудование для механического легирования (Приложение №3).

Аттриторы представляет собой шаровую мельницу, состоящую из стационарной охлаждаемой водой вертикальной емкости с герметичной крышкой, которая фиксирует установленный по ее оси уплотненный вал - мешалку, приводимый во вращение от электродвигателя. Вращающаяся мешалка перемешивает шары, доводя их кинетическую энергию до высокого уровня, достаточного для получения эффекта механического легирования.

Рабочие параметры аттритора.

Обычно сосуд вместимостью 4 л (диаметром 170 мм и высотой 180 мм) позволяет обеспечить суммарную загрузку ≈10 кг, состоящую из измельчающих шаров и порошка.

Механизм механического легирования.

Процесс механического легирования обычно подразделяется на пять последовательных стадий (Приложение №4);

1. Стадия, в течение которой происходит увеличение количества частиц более грубых и более тонких, чем при начальной загрузке. Более грубые частицы являются композитными пластинками, образуемыми уплотнением различных составляющих шихты; тонкие частицы являются, главным образом, частицами более хрупких составляющих (Приложение №4 , I (исходные порошки) и II).

2. Стадия сваривания, в течение которой более крупная фракция порошка увеличивается, в то время как фракция более мелкого размера остается приблизительно постоянной (Приложение №4, III). При этом более крупные частицы имеют многослойную, композитную структуру со слоями, располагающимися параллельно поверхности шаров или большей оси частиц. Эти элементарные отдельные слои значительно меньшие по объему, чем исходные частицы, и поэтому представляют собой измельченные частицы исходного порошка, включающие отдельные составляющие шихты.

3. Стадия образования равноосных частиц, во время которой резко уменьшается количество крупных пластинчатых частиц, и образуются более равноосные частицы (Приложение №4, IV). Более мелкие фракции порошка располагаются теперь параллельными слоями, как и крупные фрагменты частиц порошка, а фрагменты частиц отдельных порошков фактически отсутствуют. Более мелкие компоненты частиц, вероятно, являются фрагментами более крупных частиц порошка аналогичной структуры. Слои из частиц отдельных порошков соединяются, в основном, с помощью сварки друг с другом.

4. Происходит произвольная ориентация участков сварки, при которой образуются округлые конгломераты из композиционных частиц, свариваемых друг с другом без какой-либо предпочтительной ориентации (Приложение №4, V).

5. Стадия механического легирования – имеет место, когда достигается устойчивое состояние распределения частиц по размерам (Приложение №4, VI). Внутренняя структура составных частиц различается на субзеренном уровне. Определяющими характеристиками этой стадии являются максимальный уровень твердости частиц и узкий диапазон их распределения по размерам.

Особенности процесса механического легирования

В основе механического легирования лежит явление, представляющее собой повторяющее межчастичное сваривание ("холодная сварка") и расслаивание вблизи поверхностей шаров при их интенсивном сталкивании до тех пор, пока достигается стабильное состояние (Приложение №1).

Стабильное состояние характеризуется почти одинаковым размером частиц (Приложение №2) и насыщением среднего уровня твердости композиционных частиц, в которых отдельные составляющие перестают быть оптически разрешимыми.

Основными особенностями механического легирования являются высокая энергия, подводимая в аттриторе к частицам порошка, а также сухое измельчение. Эти особенности способствуют холодной сварке частиц, что является главным процессом механического легирования.

Конечным этапом получения объемно наноструктурного материала является процесс горячей экструзии.

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В промышленности переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие, как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников- рассеиватели и т.д. Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные, многочервячные, поршневые и дисковые экструдеры.[7] Существет несколько видов экструзии: холодная синяя, теплая и горячая.

Горячая экструзия — процесс протекает при высоких скоростях и давлениях, значительном переходе механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях материала. Кроме того, может иметь место регулируемый подвод тепла как непосредственно к продукту, так и через наружные стенки экструдера. Массовая доля влаги в сырье при горячей экструзии составляет 10…20%, а температура достигает 800 °C.

Получение объемно наноструктурного материала на основе меди, получаемого на предприятии ООО НПП “Инотех”.

Исходные материалы:1) медный порошок ПМС-1 (99,25 % пл массе) ; 2) порошок алюминия (0,5 % по массе); 3) графит (0,25 % по массе).

  1. Стадия механического легирования: в аттритор всыпаются порошки ПМС-1 и легирующих элементов, а также стальные шарики диаметром 8 мм в отношении 1:15. В процессе легирования в аттриторе происходят химические реакции, и образуется оксид меди(II), который снижает физические свойства сплава, такие как электропроводность, теплопроводность. Полученный продукт называется гранулятом, который является исходным материалом для следующей стадии. Температура внутри аттритора может достигать примерно 50°С - 100°С.

  2. Стадия горячая экструзия: конечные процесс получения объемно наностктурного материала на основе меди. В этом процессе, разогретый до температуры 750°С -800°С, гранулят продавливают через матрицу под давлением и высокой температурой. Полученный продукт, используемый при контактной сварке, плазматронов и других изделий, называется брикет.

Для того чтобы узнать какие реакции происходят между веществами в первой стадии получения объемно наноструктурного материала нами были составлены уравнения всех возможных реакций, которые могут протекать между исходными материалами и кислородом воздуха. Затем по справочной литературе[12] для всех исходных веществ и продуктов возможных реакций были определены энтальпии, энтропии, энергии Гиббса. По этим термодинамическим значениям вычислили температуры, при которых возможны эти реакции по формуле:

T=







Справочные данные и результаты вычислений были занесены в таблицу (Приложение №5).

Для того чтобы удостовериться, в том что полученные материалы на предприятии ООО НПП “Инотех соответствуют размерам наноматериалов нами были исследованы образцы объемно наноструктурных материалов (№ 70) с помощью сканирующего зондового микроскопа «NanoEnducator» в режиме атомно- силовой микроскопии. С помощью этого метода мы смогли определить структуру нашего образца и наличие примесей в образце. Результаты, полученные на СЗМ с помощью атомно-силовой микроскопии, занесены в (Приложение №6). Анализируя результаты, мы удостоверились, что частицы имеют средний размер от 20 нм …40 нм, который соответсвует размерам наноматериалов.

Для определения оксидов меди (I) и (II), снижающих физические свойства образца, такие как теплопроводность, электропроводимость и другие, а также оксида алюминия в порошке ПМС-1, грануляте и брикете нами были проведены качественные реакции на обнаружение ионов Cu+2, Cu+, Al+3.

Приборы и материалы: лабораторные электронные весы KERN 770-14, пробирки, пипетки, держатель для пробирок, спиртовка, спички, воронка, фильтровальная бумага, соляная кислота 35%-ной концентрации, гидроксид натрия, гидрофосфат натрия, дистиллированная вода.

В начале мы проверяли наличие ионов Cu+2.

1) Исследуемые образцы: медный порошок ПМС-1(образец №1), гранулят(образец №2) и брикет(образец №3) – взвесили на лабораторных электронных весах KERN 770-14 данные образцы по 1 г. и растворили в растворе соляной кислоте объемом 5 мл. Для увеличения скорости реакции нагрели пробирки с образцами, растворенными в кислоте.

2) Отфильтровали не прореагировавшую медь.

3) К фильтрату по каплям добавляли гидроксид натрия, если в фильтрате присутствуют ионы Cu+2, то будет образовываться студенистый осадок голубого цвета. Повторность опытов была трехкратной. Анализируя таблицу результатов (Приложение №7) мы сделали вывод: во всех трех образцах содержаться ионы Cu+2, но в образце №2 их содержится больше.

  1. CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O

CuO + 2H+ + 2Cl- → Cu+2 + 2Cl- + H2O

CuO + 2H+ → Cu+2 + H2O

б) CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaCl

Cu+2 + 2Cl- + 2Na+ + 2OH- → Cu(OH)2↓ + 2Na+ + 2Cl-

Cu+2 + 2OH- → Cu(OH)2

Затем мы приступили к определению ионов Cu+.

1) Исследуемые образцы: медный порошок ПМС-1(образец №1), гранулят(образец №2) и брикет(образец №3) – взвесили на лабораторных электронных весах KERN 770-14 данные образцы по 1 г. и растворили в растворе соляной кислоты объемом 5 мл, затем нагрели пробирки с образцами, растворенными в кислоте.

2) Отфильтровали не прореагировавшую медь.

3) Фильтрат разбавляем дистиллированной водой, если в фильтрате присутствуют ионы Cu+, то образующийся хлорид меди(I) должен выпасть в виде белого творожистого осадка[8]. Повторность опытов была трехкратной. Анализируя таблицу результатов (Приложение №8) мы сделали вывод: во всех трех образцах содержаться ионы Cu+.

а) Cu2O + 2HCl → 2CuCl + H2O

Cu2O + 2H+ + 2Cl- → 2Cu+ + 2Cl- + H2O

Cu2O + 2H+ → 2Cu+ + H2O

б) СuCL + H2O → CuOH↓ + HCL

Cu+ + CL + H2O→ CuOH↓ + H+ + CL

Cu+ + H2O→ CuOH↓ + H+

Затем мы приступили к определению ионов Al+3 в грануляте и брикете, так как исходный порошок не содержит алюминий.

1) Исследуемые образцы: гранулят(образец №1) и брикет(образец №2) – взвесили на лабораторных электронных весах KERN 770-14 данные образцы по 1 г. и растворили в соляной кислоте объемом 5 мл, затем нагрели пробирки с образцами, растворенными в кислоте.

2) Отфильтровали не прореагировавшую медь.

3) К гидроксиду натрия по каплям добавляем фильтраты образцов. Если в них содержаться ионы Al+3, то будет выпадать белый студенистый осадок. Поскольку гидроксид алюминия является амфотерным, то он должен раствориться при добавлении кислоты и гидроксида натрия[8]. Повторность опытов была трехкратной. Анализируя таблицу результатов (Приложение №9) мы сделали вывод: во всех образцах содержаться ионы Al+3.

а) Al2O3 + 6HCL → 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 6H+ + 6Cl- → 2Al+3 + 6Cl- + 3H2O

Al2O3 + 6H+ → 2Al+3 + 3H2

б) AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3↓ + 3NaCl

Al+3 + 3Cl- + 3Na+ + 3OH- → Al(OH)3↓ + 3Na+ + 3Cl-

Al+3 + 3OH- → Al(OH)3

в) Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O

Al(OH)3 + 3H+ + 3Cl- → Al+3 +3Cl- + 3H2O

Al(OH)3 + 3H+ → Al+3 + 3H2O

г) Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]+ 2H2O

Al(OH)3 + Na+ + OH- → Na+ + [Al(OH)4]+ 2H2O

Al(OH)3 + OH- → [Al(OH)4]+ 2H2O

4) Так же для определения ионов Al+3 была проведена реакция с гидрофосфатом натрия, так как он образует с ионами Al+3 белый осадок фосфата алюминия, который будет растворятся в сильных кислотах. Анализируя таблицу результатов (Приложение №10) мы сделали вывод: во всех образцах содержаться ионы Al+3.

AlCl3 + 2Na2HPO4 → AlPO4↓ + NaH2PO4 + 3NaCl

Al+3 + 3Cl- + 4Na+ + HPO4-2 → AlPO4↓ + Na- + H2PO4- + 3Na+ + 3Cl-

Al+3 + HPO4-2 → AlPO4↓ + H2PO4-

Заключение

В процессе работы мы узнали, что такое нанотехнологии, наноматериалы, объемно наноструктурный материал и рассмотрели процесс получения наноматериалов, состоящего из двух стадий: механическое легирование и экструзии.

Для того чтобы узнать какие вещества могут образовываться в процессе получения объемно наноструктурного материала на основе меди нами при помощи термодинамических характеристик веществ были проведены термоденамические расчеты по вычислению температур, при которых происходят реакции в первой стадии получения материала, по которым мы и определили, что возможными продуктами реакций могут быть оксиды меди (I) и (II), оксид алюминия, углекислый газ, карбид алюминия (Приложение №5).

Для определения структуры материала нами был просканирован образец наноструктурного материала на основе меди, получаемого на предприятии ООО НПП “Инотех”на СЗМ «NanoEnducator» (Приложение №6). Результаты исследования показали, что частицы имеют средний размер от 20 нм …40 нм, который соответсвует размерам наноматериалов

С помощью качественных реакций мы доказали наличие оксидов меди (I) и (II), оксид алюминия в исследуемых образцах наноструктурного материала на основе меди (Приложения №№7-10).

Список литературы:

  1. Indian craftsmen, artisans used nanotech 2000 years ago

  2. Zsigmondy, R. “Colloids and the Ultramicroscope”, J.Wiley and Sons, NY, (1914)

  3. Derjaguin, B.V. Discuss. Faraday Soc., No. 18, 24-27, 182-187, 198, 211, 215-219 (1954)

  4. Efremov, I.F. “Periodic Colloidal Structures”, in “Surface and Colloid Science”, vol. 8, Wiley, NY (1975)

  5. Lyklema, J. “Fundamentals of Interface and Colloid Science”, vol.1-5 Academic Press, (1995-2000)

  6. http://portalnano.ru/read/iInfrastructure/russia/net/nns_terms

  7. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B4%D0%B5%D1%80

  8. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие / Н.Л. Глинка – 24-е изд., М.: 1985

  9. Пилипенко А. Т. Аналитическая химия: учебное пособие. Кн. 2 / А. Т. Пилипенко , И. В. Пятницкий – М.: Химия, 1990

  10. Пискарев С.Л. Аналитическая химия: учеб. для средн. спец. учебн. заваедений / С.Л. Пискарев, К.М. Барашков, К.М. Ольшанова – М.: Высш. шк., 1994

  11. Вестник «Чувашского государственного университета» №2 2009 г., Шалунов Е.П. Смирнов В.М. – 291- 299 с.

  12. Лидин Р. А. Справочник по неорганической химии / Р. А. Лидин, Л. Л. Андреева, В. А. Молочко – М.: Химия, 1987



Приложение №1



Образование композиционных частиц из порошков, находящихся между соударяющимися стальными шарами.

Приложение №2



Равновесие между свариванием и разрушением, приводящее к относительно узкому диапазону распределения частиц по размерам.

Приложение №3



Схема рабочей камеры аттритора: 1 – уплотнение; 2 – водоохлаждаемый неподвижный корпус; 3 – стальные шары; 4 – мешалка.

Приложение №4



Стадии механического легирования

Приложение №5

Реакция

▲H, кДж/моль· К

▲S,

Дж/моль·К

▲G,

кДж/моль·К

T, К

2Cu+O2 → 2CuO

-312

-185

-256

302,7

4Cu+O2→2Cu2O

-342

-153

-296

300,6

4Al+3O2→2Al2O3

-3350

-625

-3164

297,6

C+O2→CO2

-393

3

-394

333

4Al+3C→Al4C3

-208

41

-196

292,7

CO+CuO→Cu+CO2

-127

6

-129

333,3

6CO+Al4C3→2Al2O3+9C

-2482

-1121

-2146

300

Приложение №6

Структура объемно наноструктурного материала, полученная при помощи СЗМ «NanoEnducator»

Образец материала №70 (размер 10:10 нм; 3D формат)



Образец материала №70 (размер 10:10 нм; 3D формат)



Образец материала №70 (размер 10:10 нм; 2D формат)



Приложение №7

Образец

наблюдение

№1

Образуется голубой студенистый осадок, но сравнительно мало

№2

Образуется голубой студенистый осадок

№3

Образуется голубой студенистый осадок, но меньше чем в образце №2

Приложение №8

Образец

нАБЛЮДЕНИЕ

№1

Образуется белый творожистый осадок, но мало

№2

Образуется белый творожистый осадок

№3

Образуется белый творожистый осадок , но меньше чем в образце №2

Приложение №9

образец

НАБЛЮДЕНИЕ

№1

Образуются голубой студенистый осадок, который растворяется в соляной кислоте, но не в гидроксиде натрия, и белый осадок, который растворяется так и в соляной кислоте так и в гидроксиде натрия

№2

Образуются голубой студенистый осадок (но меньше чем в образце №1), который растворяется в соляной кислоте, но не в гидроксиде натрия, и белый осадок, который растворяется так и в соляной кислоте так и в гидроксиде натрия

Приложение №10

образец

наблюдение

№1

Образуется белый осадок в виде белых хлопьев

№2

Образуется белый осадок в виде белых хлопьев, но меньше чем в образце №1




страница 1


скачать

Другие похожие работы: