Нанотехнологии и материалы

В учебном пособии изложены современные представления об ответственных конструкциях авиа- и ракетно-космического назначения, выполненных из термостойких композиционных материалов (КМ). Описаны условия эксплуатации и приведены свойства отечественных и зарубежных материалов, используемых в термостойких КМ. Отдельно рассмотрены технологии производства, особенности при многократных испытаниях и возможности улучшения свойств термостойких КМ путем нанодоппирования.

Дано описание современных конструкционных материалов, применяемых в поршневых двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней, поршневых колец, клапанов, коленчатых валов, подшипников скольжения, деталей выпускного коллектора, деталей двигателей с турбонаддувом (сплавы на основе железа, алюминия, олова, свинца; композиционные материалы, керамика и металлокерамика).

Рассмотрены основные технологические процессы производства элементов микросистемной техники с точки зрения физических явлений. Обобщены результаты, полученные при выращивании монокристаллов, а также в процессах диффузии, имплантации, литографии и др.

Приведены сведения о процессах модификации свойств основных материалов, применяемых для изготовления деталей и узлов приборов ориентации, стабилизации и навигации (ОСиН), а также о физико-химических процессах, происходящих в материалах при нагреве в ходе термической обработки, и о связанных с этим изменениях физико-химических характеристик материалов. В таблице приложения представлены данные о режимах процессов термической обработки материалов и сплавов, наиболее часто используемых для изготовления деталей приборов ОСиН.

В учебном пособии представлены основы обработки резанием полимерных композиционных материалов (ПКМ). Оно содержит сведения о составе и конструкционных свойствах композиционных материалов (КМ), технологических методах получения заготовок изделий из КМ, физических основах обработки ПКМ резанием, технологиях обработки и реновации изделий из ПКМ, инновационных технологиях обработки КМ, а также справочные материалы, необходимые при выборе режимов резания. Особое внимание уделено новым и перспективным методам обработки. Учебное пособие разработано в полном соответствии с программой дисциплины «Перспективные технологии реновации».

Проанализированы вопросы обеспечения надежности радиоэлектронных средств нового поколения - на базе приборов, функционирующих на квантоворазмерных эффектах в наноразмерных слоях составляющих их полупроводниковых гетероструктур. В качестве примера рассмотрено обеспечение надежности смесителя радиосигналов СВЧ-диапазона на базе резонансно-туннельных диодов.

В пособие включены разделы, посвященные получению заготовок методами литья (отливок), обработки давлением (поковок, штамповок) и комбинированных заготовок (сварно-литых, штампо-сварных), а также получению из этих заготовок деталей машин методом механической обработки. Приведены примеры выполнения домашних заданий и вопросы по дисциплине «Технология конструкционных материалов».

Изложены физические основы атомно-силовой микроскопии. Рассмотрены режимы работы атомно-силового микроскопа. Дано описание отдельных узлов атомно-силового микроскопа. Проанализированы технические возможности, особенности конструкции и требования к образцам зондовых микроскопов СММ-2000 и «НаноСкан».

Микросистемная техника – активно развивающееся направление, создающее функционально законченные нано- и микроразмерные устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от характеристик устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. Учебное пособие содержит сведения о физических принципах функционирования электромеханических систем и об основных технологиях их производства. Приведены примеры использования микроэлектромеханических систем в различной аппаратуре как бытового, так и специального назначения.

В пособии рассмотрены способы, используемые для оценки твердости нанопокрытий. Для студентов специальности «Материаловедение в машиностроении», специализации «Наноматериалы» и слушателей Межотраслевого института повышения квалификации кадров по новым направлениям развития техники и технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также специалистов, занимающихся разработкой нанопокрытий и оценкой их свойств.

Рассмотрены положения науки о трении, износе и смазке машин, новые направления и проблемы износостойкости конструкционных материалов. Описаны характеристики экспериментальной базы для оценки трибологических свойств конструкционных и смазочных материалов. Представлены методы контроля микрогеометрии поверхности, оценки механических свойств поверхностных слоев, методология исследования структурного состояния зоны поверхностной пластической деформации при трении. Проанализированы критерии оценки триботехнических свойств. Дан пример экспериментального подхода к оценке макро- и микроскопических характеристик качества антифрикционных покрытий, полученных методом триботехнологии.

Изложены основы метода асимптотического осреднения (метода Бахвалова — Победри) для задач теории упругости, а также основы метода конечных элементов для решения локальных задач теории упругости на «ячейке периодичности» и расчета эффективных упругих характеристик композитов. Даны вариационные формулировки задач теории упругости и задач на «ячейке периодичности». Представлены оригинальные результаты относительно метода решения локальных задач. Приведены примеры численного решения локальных задач и результаты моделирования полей микронапряжений для различных типов композиционных материалов: однонаправленно-армированных, 3D ортогонально-армированных, армированных по диагоналям куба и тканевых. Представлены результаты численного расчета полей концентрации микронапряжений в компонентах композитов.

Приведены сведения об основных типах силоизмерителей, широко применяемых в испытательной технике. Даны описания принципов действия силоизмерительных приборов, их технические характеристики и конструктивное оформление. Приведены рекомендации по расчету на прочность и жесткость основных деталей этих устройств, оценены погрешности,возникающие при использовании силоизмерителей.

Настоящее издание соответствует учебной программе курса «Специальные технологические методы в нанотехнологии». Рассматриваются методы выращивания 2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур (нанонитей) и 0D-наноструктур (наночастиц) с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии для их применения в наноприборах радиоэлектронных систем.

Рассмотрены характеристики эксплуатационных и технологических свойств основных конструкционных материалов, используемых при изготовлении деталей машин. Предложена методика принятия решений при выборе материалов.

Приведены эскизы машиностроительных деталей и рассмотрены примеры решения технологических задач по разработке конструкции и технологии получения заготовок (отливок, поковок, штампованных оболочек и т. п.) и способов механической обработки заготовок.

Описаны физические явления, используемые в работе сканирующего туннельного микроскопа и атомного силового микроскопа. Рассмотрены физико-химические законы наиболее разработанных зондовых нанотехнологий.

Монография посвящена обзору исследований влияния эффектов электронного беспорядка на электрон-фононное взаимодействие в металлах, сверхпроводниках, полупроводниках, а также в различных низкоразмерных структурах. Актуальность поднятых в монографии вопросов определяется интенсивным развитием нанотехнологий, созданием новых наноструктурированных материалов и уникальных наноэлементов для электроники и фотоники. Упругое электронное рассеяние на границах наноструктур качественно меняет взаимодействие электронов с фононами, что, безусловно, должно учитываться при проектировании соответствующей элементной базы. Прикладная часть работы посвящена контролируемой модификации электронных процессов для оптимизации новых наносенсоров на основе электронного разогрева в сверхпроводниковых и полупроводниковых структурах.

Дано описание устройства и рассмотрены принципы работы твердомера ИТ5010, применяемого в лаборатории микроскопического и термического анализа.

В предлагаемом учебном пособии излагаются результаты исследования физико-механических свойств керамик, изготовленных из нанопорошков соответствующих составов методом сухого одноосного прессования при одновременном воздействии ультразвука, приведены результаты исследований распределения зерен и пор по размерам, плотности, микротвердости, трещиностойкости и других характеристик полученных керамик.

В пособии изложены общие вопросы физической химии твердых кристаллических веществ, строения оксидов, основы исследования структур кристаллов методом рентгенофазового анализа. На конкретных примерах рассмотрены вопросы синтеза в оксидных системах и регулирования их свойств в присутствии микродобавок. Отдельный раздел посвящен обзору свойств и методов получения наноразмерных порошковых и консолидированных материалов, дано термодинамическое обоснование возможности активирования процессов с участием наночастиц, физико-химических методов исследования состава, структуры и морфологии получаемых продуктов.

В пособии с позиции системного подхода представлены современные инновационные технологии наукоемких машиностроительных производств. Рассмотрены вопросы создания наукоемкого механосборочного машиностроительного производства, его структура и инфраструктура, логистика, способы управления производством, персоналом, знаниями, применения инновационных материалов и технологий, тенденции развития.

В пособии изложены результаты, полученные автором при экспериментальном исследовании влияния технологических процессов порошковой металлургии на структуру, фазовый состав и свойства композиционных материалов на основе карбида титана. Исследования внутризёренной структуры порошков композиционного материала на основе карбида титана показывает, что изменение ширины интерференционных линий может быть контролирующим параметром технологического процесса изготовления.

В пособии рассматриваются основные процессы лазерной, ионной, плазменной, электроэрозионной, ультразвуковой обработки, происходящие в твердом теле при электронном воздействии. Приведены технологические процессы улучшения характеристик изделий при различных технологических обработках. Изложена феноменологическая модель изменения физических и механических свойств материалов под действием концентрированных потоков энергии.

В пособии изложены общие сведения о композитах, принципы создания полимерных композиционных материалов. Приводятся основные технологические методы получения композиционных материалов и методы формования изделий на их основе. Содержатся данные об особенностях структуры и свойствах основных видов полимерных композитов: дисперсно- и газонаполненных, армированных волокнами, смесях полимеров, пластифицированных пластмасс.

В пособии рассматриваются общие вопросы проектирования технических систем, правила оформления технической документации, даются основы взаимозаменяемости и основы расчета прочности и жесткости конструкций. Приводятся общие сведения о приборах, их назначении, составе и метрологических характеристиках, анализируется структура измерительных приборов. Рассматриваются вопросы расчета и конструирования различных видов механизмов приборов, таких как передачи, опоры, муфты, упругие элементы, а также даются сведения о способах соединения деталей и узлов.

В пособии рассматриваются механизмы деформации, разрушения и изнашивания поверхностных слоев конструкционных материалов в различных условиях нагружения. Показана высокая эффективность их наноструктурирования и нанесения наноструктурных покрытий, что кратно повышает такие важные характеристики, как износостойкость, усталостная долговечность, коррозионная стойкость, ресурс работы и надежность высокоответственных конструкций и их сварных соединений. Описаны современные технологии наноструктурирования поверхностных слоев и нанесения наноструктурных покрытий.

В пособии изложены вопросы формирования структуры и свойств материалов, используемых в машиностроении. Большое внимание уделено фундаментальным основам прочности металлических материалов. Рассмотрены неметаллические материалы: полимеры, керамики и композиционные материалы с волокнистым упрочнителем.

Рассмотрены важнейшие виды металлических и неметаллических конструкционных материалов, описаны общие принципы технологии их получения и переработки, приведены сведения о методах оптимизации их состава и свойств.

В книге приведены результаты исследований возможности получения субмикронных и наноструктурированных металлических материалов с использованием жидкофазных технологий, а также с использованием методов термомеханической обработки. Приведены результаты исследований физических свойств некоторых нанопорошковых материалов, особенностей их компактирования и спекания. Рассмотрены проблемы и технологические решения при реализации процесса равноканального углового (РКУ) прессования, условия получения субмелкозернистых и наноструктурных материалов на основе алюминия.

В книге рассмотрены технологические особенности получения нанопорошков с использованием различных нанотехнологий, в частности, газофазный синтез наноразмерных частиц для получения однокомпонентных нанопорошков, легированных металлических нанопорошков, карбидных и оксидных наночастиц, применение метода термического разложения солей для получения нанопорошков на основе дисперсно-упрочненных сплавов Cu-Al2O3 и на основе вольфрама, а также получение наноразмерных порошков путем диспергирования. Рассмотрены проблемы и технологические решения при реализации процесса РКУ-прессования. С использованием методов математического моделирования исследовано влияние основных технологических параметров процесса (геометрии канала и условий контактного трения) на распределение деформаций в заготовке и однородность структуры металла. Рассмотрены технологи­ческие условия получения субмелкозернистых и наноструктурных материалов на основе алюминия.

В монографии обобщены результаты, полученные при воздействии концентрированных потоков энергии на конструкционные и инструментальные стали, композиционные материалы и твердые сплавы. Приведены данные об использовании концентрированных потоков энергии в промышленности. Особое внимание уделено систематическому исследованию структурно-фазового состава композиционных покрытий на основе быстрорежущей стали, полученных в условиях вакуумной электронно-лучевой наплавки.

Рассмотрена физикохимия процессов формирования аморфных и нанокристаллических материалов при плазменном напылении. Описаны теплофизические особенности высокоскоростной закалки расплава при формировании материалов с неравновесной структурой. Предложена критериальная оценка структурного состояния напыляемых слоев. Особое внимание уделено комплексным исследованиям структурного состояния и физико-химических свойств широкого спектра соединений металлов (Fe–B, Co–Fe–Ni–B–Si, Al–Fe–Cu) и керамик (ферритов и композиций на их основе, высокотемпературных сверхпроводников). Приведены примеры практического применения напыленных аморфных и нанокристаллических материалов.

Рассмотрены новые способы интенсификации процессов выделения ценных экстрактивных веществ из различных видов коры на примерах лиственных и хвойных пород деревьев, произрастающих в Сибири. Использованы результаты оригинальных работ авторов монографии и литературные данные последних лет. Представлены данные о химическом составе продуктов, о перспективных процессах комплексной переработки древесной коры в ценные химические вещества и сорбционные материалы и об использовании продуктов переработки древесной коры. Значительное внимание уделено проблеме выделения биологически активных веществ из различных видов коры, а также актуальным направлениям работ по получению из коры дубильных веществ, пищевых красителей, антиоксидантов, витаминного концентрата, выделению тритерпеноида бетулина и синтезу на его основе ряда ценных биологически активных препаратов.

Монография посвящена изучению упругих свойств композиционных материалов (КМ). Сформулированы методологические принципы изучения физико-механических свойств твердых тел со сложной внутренней структурой. Представлена классификация КМ, в основу которой положен принцип иерархии системы «твердое тело». С единых позиций систематизированы упругие свойства КМ, принадлежащих разным структурным уровням системы «твердое тело». Приводится сводка данных об упругих свойствах КМ. Предложен принцип предельных значений физико-механических характеристик КМ. Установлена иерархия структурной чувствительности физико-механических характеристик КМ. Проведен анализ существующих методов расчета упругих характеристик изотропных и анизотропных КМ. Большое внимание уделено анализу точности определения упругих характеристик КМ.

Предложены элементы модульного подхода к изучению материаловедения. Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 050501.07 - Профессиональное обучение (Материаловедение и обработка материалов), 190700.62 – Технология транспортных средств; 221400.62 – Управление качеством; 221700.62 – Стандартизация и метрология; 261400.62 – Технология художественной обработки материалов; 140400.62 – Электроэнергетика и электротехника.

В монографии излагается современное состояние науки о формировании, исследовании и свойствах наноструктурированных полупроводников халькогенидов свинца PbX (X = Те, Se, S). Рассмотрены размерные эффекты в изучаемых материалах, подробно обсуждены новые подходы создания низкоразмерных систем на основе электрохимических и плазменных процессов.

Пособие предназначено для студентов инженерно-технологического факультета, обучающихся по магистерской программе «Инновационные технологии получения и обработки материалов с заданными свойствами» по направлению 150400.68 «Металлургия».

Рассмотрено строение и свойства материалов на основе железа, диаграмма железо- углерод, основные классы сталей и чугунов, их свойства и применение. Большое внимание уделено теории и технологии термической, химико-термической и термомеханической обработки.

Приведены сведения о прогрессивных технологических процессах листовой штамповки, штамповки выдавливанием в разъемные матрицы, производства деталей из металлических порошков. Кратко рассмотрено современное состояние нанотехнологий. Показано, что все показанные выше технологические процессы целесообразно осуществлять с использованием специализированных гидропрессов. Описаны разработанные специализированные гидропрессы и приведены примеры изготовленных на них деталей.

В мультимедийный образовательный модуль входят следующие блоки: 1. Учебное пособие, содержащее курс лекций по дисциплине «Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов» и вопросы по разделам. 2. Перечень лабораторно-практических занятий по дисциплине. 3. Контрольные вопросы (экзаменационные и для промежуточного контроля). Подробно рассмотрены технологические процессы производства формообразования изделий из полимерных композитов, процессы производства металлических композиционных материалов и конструкций из углерод-углеродных материалов. Представлены основные особенности технологических процессов механической обработки полимерных композиционных материалов. Отражены основные требования к оборудованию и режущему инструменту при обработке полимерных композитов. Приведены технологические процессы изготовления конструкций из композиционных материалов для ракетно-космической техники. Мультимедийный образовательный модуль размещен на сайте факультета ЛА (http://fla.ssau.ru/).

Рассмотрены общие вопросы, касающиеся строения металлов и сплавов, физической природы металлов. Описаны также процессы деформации и рекристаллизации, наиболее часто встречающиеся двойные диаграммы состояния, диаграмма железо-углерод и железоуглеродистые сплавы. Большое внимание уделено процессам формирования структуры при кристаллизации железоуглеродистых сплавов и ее связи со свойствами.

Пособие соответствует авторскому курсу по дисциплинам «Проектирование технологических процессов и производство изделий из композиционных материалов» и «Конструкционные и функциональные волокнистые композиты» для подготовки специалистов по специальности 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов», а также бакалавров по направлению 150600 «Материаловедение и технология новых материалов». Приведены классификация и основные сведения по основным свойствам волокнистых и тканых армирующих наполнителей композиционных материалов, а также способам определения ряда характеристик. Сформулированы основные принципы выбора волокнистых наполнителей и схем армирования. Подготовлено на кафедре химии и технологии гетерогенных систем.

Приведены основные сведения об оптических свойствах полимеров, сравнительные характеристики органических стекол (и других полимерных материалов), способы их модификации, включая разработанные в Казанском государственном технологическом университете. Отражено развитие исследований в традиционных областях применения прозрачных полимеров, а также рассмотрены современные тенденции в области создания функциональных полимерных материалов, содержащих наноразмерные наполнители, обладающих нелинейно-оптическими и другими свойствами.

Работа посвящена модификации поверхностного нанослоя металлов, их сплавов, полупроводников, диэлектриков, тонкопленочных покрытий с помощью высокочастотных разрядов индукционного и емкостного типов при пониженном давлении. Описывается физическая и математическая модели модификации поверхности материалов в высокочастотной плазме пониженного давления, а также результаты теоретического исследования закономерностей формирования основных параметров процесса модификации.

В учебном пособии обобщены результаты исследований природы структурных и фазовых превращений, протекающих в неупорядоченных электролитических сплавах. Приведены теоретические и технологические основы формирования нанокристаллической и аморфной структуры, обеспечивающей получение покрытий с улучшаемыми функциональными характеристиками для использования в сложных эксплуатационных и природно-климатических условиях.

В монографии обсуждены проблемы формирования различных уровней структурирования керамических материалов на основе фаз кислородно-октаэдрического типа (от нано- до микроуровня) и влияние элементов архитектуры керамических каркасов на электрофизические параметры пьезоэлектрических материалов, создаваемых на их основе. Рассмотрены проблемы синтеза пьезофаз методом твёрдофазных реакций, обсуждены преимущества и недостатки формирования фаз со структурой типа перовскита при низких температурах. Проанализированы известные технологии спекания керамики и способы, позволяющие варьировать

Пособие «Плазменная нанотехнология. Часть 1» предназначено для студентов старших курсов и преподавателей негуманитарных факультетов РУДН, интересующихся тенденциями современной научно-технологической революции. Это пособие послужит необходимым ориентиром студентам-физикам шестых курсов, слушающих и сдающих экзамен по новому спецкурсу «Плазменная нанотехнология» в рамках магистерской программы «Прикладная физика и физическая информатика». Подготовлено на кафедре экспериментальной физики факультета физико-математических и естественных наук РУДН.

Представлены результаты научно-исследовательских работ в области получения, исследования и применения нанодисперсных нитридов и оксидов металлов. Приведены физико-химические и технологические характеристики нанодисперсных нитридов и оксидов, синтезированных в плазме дугового разряда низкого давления. Большое внимание уделено применению нанодисперсных порошков в качестве наполнителей полимерных композиционных материалов, позволяющих разрабатывать нанокомпозиционные полимерные материалы с высокими эксплуатационными характеристиками для перспективных отраслей машиностроения.

Основной задачей учебного пособия является ознакомление студентов с основными классами наночастиц и наноматериалов, их физико-химическими свойствами, а также со сложившимися и перспективными областями применения наноматериалов.