Topic outline

  • Про освітній курс

    Collapse all Expand all

    Рівень вищої освіти

    Другий (магістерський)

    Галузь знань

    13 Механічна інженерія

    Спеціальність

    132 Матеріалознавство

    Освітня програма

    Матеріалознавство

    Статус дисципліни

    Вибіркова

    Форма навчання

    очна(денна)

    Рік підготовки, семестр

    2 або 3 семестр

    Обсяг дисципліни

    5 кредитів (150 годин)

    Семестровий контроль/ контрольні заходи

    диференціойований залік, контрольні роботи

    Розклад занять

    лекція – 2 год в тиждень (30 год); лабораторні роботи – 1 год в тиждень (15 год); самостійна робота – 105 год, диференційований залік

    Мова викладання

    Українська

    Інформація про
    керівника курсу / викладачів

    Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України


    Лектор: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Рагуля Андрій Володимирович, Andrey.ragulya@gmail.com

    Лабораторні: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Рагуля Андрій Володимирович, Andrey.ragulya@gmail.com


  • Тема 1. Вступ в матеріалознавство наноструктур: історія, основні парадигми і визначення

    Вступ в наноструктурне матеріалознавство. Відомості про сучасний сегмент ринку наноматеріалів в світі і динаміку його розвитку. Відомості про найбільш привабливі напрямки наукових досліджень в світі наноматеріалів. Загальна характеристика низько розмірних систем. Основні парадигми, підходи. Історичні аспекти розвитку наноматеріалів та нанотехнологій. Класифікація наноструктурних об’єктів. Визначення розмірності нанооб’єктіві її роль у фізичних і хімічних явищах. Співвідношення між об’ємом, між фазною границею і поверхнею. Кластери, незвичайні нанооб’єкти. Дефекти в кристалічних об’єктах. Глобальне значення нанотехнології, наноматеріалів, нанопристроїв для розвитку науки і техніки

  • Тема 2. Розмірний ефект в частинках, плівках, полікристалах. Розмірна залежність фізичних властивостей матеріалів

    Нанодисперсний стан. Розмірний ефект в частинках, плівках, полікристалах. Визначення розмірного ефекту за Гляйтером. Розмірна залежність фізичних властивостей матеріалів в дисперсному стані. Загальна характеристика нанокристалічного стану в залежності від розмірності наноструктур. Основні поняття термодинаміки фазових перетворень. Залежність координат точок фазових переходів від розміру нано об’єкту. Сегрегаційні і агрегаційні процеси. Гомогенне і гетерогенне зародження нової фази. Особливості фазових рівноваг в наносистемах. Наноферроики – ферромагнетики, сегнетоелектрики, ферроеластики – єдність відгуку на поля

  • Тема 3. Розмірний ефект в частинках, плівках, полікристалах. Розмірна залежність кінетичних і механічних властивостей матеріалів

    Розмірний ефект в частинках, плівках, полікристалах. Розмірна залежність кінетичних та механічних властивостей матеріалів в дисперсному стані. Основні поняття кінетики дифузії в наноструктурах: критична довжина вільного пробігу дуфузанту. Теплопровідність наноматеріалів, критична довжина пробігу фононів. Розмірні залежності модуля пружності, твердості, міцності та тріщиностійкості

  • Тема 4. Основи методів отримання нанодисперсних структур: фізичні методи

    Фізико-хімічні і фізико-механічні основи одержання нанодисперсних порошків різноманітних матеріалів. Основні методи одержання нанодисперсних порошків. Класифікація методів одержання наночастинок. Методи характеризації наночастинок. Основні елементи порошкової технології. Отримання наночастинок методами випаровування-конденсацією, електровибуху. Отримання квантових точок. Особливості механічних перетворень під дією інтенсивного подрібнення, аморфізація матеріалів

  • Тема 5. Основи методів отримання нанодисперсних частинок і порошків: хімічні методи

    Основи синтезу наночастинок мокрими хімічними методами: співосадженням, гідротермальним осадженням і направленим зростанням. Синтез шляхом термічного розкладання нестійких прекурсорів як метод одержання нанодисперсних порошків

  • Тема 6. Основи синтезу нанодисперсних структур в нанорозмірних реакторах

    Фізико-хімічні основи одержання нанодисперсних порошків різноманітних матеріалів в умовах нанореакторів. Синтез нанодисперсних порошків в умовах сонохімічної кавітації. Синтез нанодисперсних порошків в умовах нанодисперсних емульсій, прямих та зворотних міцел. Синтез з нестійких прекурсорів. Синтез в мезопорирстих матрицях

  • Тема 7. Основи методів отримання нанодисперсних структур: комбіновані та гібридні методи

    Механохімічні перетворення під впливом інтенсивних деформацій. Фізико-хімічні основи одержання нанодисперсних порошків різноманітних матеріалів інтенсивним диспергуванням та методами механохімічного синтезу. Основи розмелу. Край диспергування різних металів. Роль поверхнево-активних сполук. Отримання нанодисперсних порошків в умовах механоактивації. Від механоактивації до механохімічного синтезу. Синтез наноструктур на темплатах. Створення структур типу «ядро-оболонка». Гібридні наноструктури, що об’єднають органічні і неорганічні речовини. Кіральність і кіральні структури як важливий елемент синтезу живих організмів

  • Тема 8. Консолідовані наноматеріали за Гляйтером і Скороходом: Класифікація методів, Теорія консолідації наночастинок

    Контрольована кристалізація із аморфного стану. Молекулярна теорія консолидації наночастинок. Коалесценція в ансамблі нанорозмірних частинок. Коагуляція наночастинок як перша стадія локального спікання. Особливості кінетики росту зерен підчас спікання. Основні прийоми консолідації

  • Тема 9. Практика отримання консолідованих наноматеріалів під тиском

    Методи консолідації нанодисперсних порошків. Консолідація в жорсткої матриці. Консолідація з попереднім формуванням. Консолідація в вільної формі. Гаряче пресування, іскро-плазмове спікання, спікання під високим тиском, імпульсне спікання в умовах ударних хвиль. Еволюція ансамблю наночастинок в процесах спікання під тиском. Спікання нанодіамандов під високим тиском. Холодне спікання нанокераміки під тиском. Спікання, що ускладнено фазовим перетворенням. Спікання, що ускладнено хімічним перетворенням.Рівноканальне кутове деформування щільних металевих матеріалів і гвинтова екструзія

  • Тема 10. Практика консолідації наноматеріалів без тиску та у вільній формі

    Методи консолідації нанодисперсних порошків. Консолідація нанопорошків без матриці - консолідація з попереднім формуванням та в вільної формі. Неізотермічне спікання. Спікання з контрольованою швидкістю ущільнення. Спікання нанопорошків в умовах мікрохвильового нагріву. Флеш-спікання. Селективне лазерне спікання – приклад технології спікання без форми. Еволюція мікроструктури в процесах вільного спікання. Конкуренція механізмів масопереносу на різних стадіях спікання. Подолання росту зерен наприкінці ущільнення. Особливості електропереносу в процесі мікрохвильового спікання провідників та діелектриків. Явище теплового пробою

  • Тема 11. Нанокомпозити: технології їх отримання, особливості їх структури та властивостей

    Класифікація нанокомпозитів консолідованих з наноструктур різної морфології (по Гляйтеру), а також по типу матриці. Чому потрібні нанокомпозити? Отримання нанорозмірного зерна. Стабілізація наноструктур. Досягнення корисної комбінації властивостей вихідних компонентів. Композити з металевої та керамічної матрицею. Класифікація Нііхари. Властивості нанокомпозитів. Запобігання Оствальдову зростанню, вибір кількості компонентів та способу розміщення їх в матриці. Кінетика росту зерен в двухфазномунанокомпозиті. Зміцнення композитів нановолокнами, та нанорубками. Нова парадигма нанокераміки: кераміка з полімерів

  • Тема 12. Нанокомпозити з полімерною матрицею

    Полімерні нанокомпозити – клас зміцнених полімерів з низьким вмістом (< 5%) нанорозмірних частинок – металів, оксидів, нанотрубок, сполук та ін. Полімерні матриці з монтморилонітом. Модифікація поверхні наночастинок, адсорбція полімерів. Стабілізація неорганічних наночастинок різної морфології в полімерної матриці. Полімеризація та со-полімеризація на поверхні наночастинок. Приготування нанокомпозитів через розчини та розплави. Міцелярні структури: міцели та везикули. Формування полімерних нанокомпозитів. Термостабільність нанокомпозитів. Мікрокапсулювання. Явище інтеркалювання в полімерних нанокомпозитах

  • Тема 13. Тонкі плівки: фізичні технології їх отримання, структура, властивості

    Класифікація нанокомпозитів консолідованих з наноструктур різної морфології (по Гляйтеру), а також по розмірності напруженого стану. Чому важлива розмірність для наноструктур? Розмірний ефект в тонких плівках. Технології отримання тонких плівок. Магнетронне розпилення (НВЧ), іонне, та іонне- плазмове розпилення. Iпульсна лазерна абляція. Комбінована технологія лазерного з іонним для багатошарових плівок. Електрохімічне осадження з пару. Реакційне розпилення. Визначні фактори для плівок. Напруження при взаємодії з підкладкою. Отримання квантових точок. Термічна стійкість та старіння плівок. Структура та властивості тонких плівок. Однорідна та неоднорідна пластична деформація тонких плівок тугоплавких речовин. Багатошарові плівки, надтверді плівки

  • Тема 14. Тонкі плівки: хімічні технології їх отримання, структура, властивості

  • Тема 15. Вуглецеві наноматеріали: графени, фулерени, нанотрубки, нанокластери: технологія отримання, структура, властивості

    Алотропні форми вуглецю – від алмазу до фулерену і графену. Класифікація вуглецевих нанокластерів:графени,фулерени, фулборани, нанотрубки, фуллеріти. Чи фулерен молекула? Структурні особливості фулерену. Технології отримання фулеренів – лазерна абляція, дугової синтез, сонячний піроліз вуглеводнів. Метод Кретчмера. Синтез ендометало-фулеренів. Екстракція фулеренів з сировини. Хроматографічне розділення фулеренів різного розміру. Фулереноподібні неорганічні сполуки. Вуглецеві нанотрубки: будова та технології отримання. Iпульсна лазерна абляція. Комбінована технологія синтезу. Електрохімічне осадження. Реакція Белла-Будуара. Роль каталізу та механізм росту нанотрубок. Оніони. Структура оніонів. Отримання оніонів з наночастинок алмазу. Нова структурна форма вуглецю. Невуглецеві нанотрубки

  • Тема 16. Методи характеризації наночаcтинок

    Розподіл частинок за розміром, основні характеристики. Як приготувати проби наночастинок для надійного аналізу. Лазерна гранулометрія. Проблеми диспергування. Аналіз розподілу частинок за розміром по інтенсивності, кількості частинок. Рентгенівський структурний аналіз. Формула Шерера. Метод Бруннауера-Еммета-Теллера (БЕТ). Розрахунок розміру частинок з даних про питому поверхню. Додатковий аналіз «хвостів» адсорбції. Електронна мікроскопія. Розподіл частинок за розміром за даними скануючої електронної мікроскопії. Розподіл частинок за розміром за даними трансмісійної електронної мікроскопії

  • Тема 17. Методи характеризації консолідованих наноматеріалів

    Наноіндентування. Особливості використання індентеру Берковича для визначення нанотвердості. Атомносилова мікроскопія. Скануюча тунельна мікроскопія. Нано-проб технології. Мікроскопія електричних сил. Мікроскопія магнітних сил. Електронна мікроскопія високого розрізнення. Можливості реконструювання атомної структури кристалу за допомогою ПЕМВР. Спостерігання структури границь зерен в консолідованих наноматеріалах. Перспектива розвитку методів характеризації наноматеріалів.

  • Тема 18. Приклади застосування консолідованих наноматеріалів

    Нові якості наноматеріалів і області їх застосування в техніці, біології, медицині, охороні оточуючого середовища. Прогнози на майбутнє, в тому числі для України. Розвиток нових ріжучих, та зносостійких наноматеріалів. Створення наноструктурних каталізаторів на основі MnO2 для очищення води та повітря. Паливні комірки і джерела струму з наноструктурними мембранами. Особливості іонного переносу в таких пристроях. Мініатюризація елементів пасивної електроніки. Застосування наноструктурної кераміки в багатошарових керамічних конденсаторах. Сегнетоелектричнаі резистивна пам’ять з надвисокою щільністю збереження інформації.

  • Тема 19. Приклади застосування порошкових наноматеріалів

    Нові якості наноматеріалів і області їх застосування в біології, медицині. Iмплантати. Біосумісність, біоінертність, біорезорбція, біоактивність. Ортопедичні імплантати. Різноманіття матеріалів для ортопедії: від металічних імплантатів до резорбіруємих керамічних композитів. Матеріал “Сінтекість”, що вироблено в Україні. Особливості біоактивного гідроксиапатиту. Проблема транспортування ліків. Матеріали для транспортування. Наномагнетики для гіпертермії, та транспортування.

  • Лабораторні роботи

    Приготування суспензій з наночастинок
    Вивчення реологічних властивостей сусппензій
    Визначення розподілу наночастинок за розміром (ДЛС метод)
    Вимірювання дзета потенціалу наночастинок в суспензії (ДЛС метод
    Визначення питомої поверхні методом БЕТ (КАС)
    Вимірювання розподілу мікро- і мезопор за розміром (КАС)
    Консолідація нанокераміки з наночастинок методом іскро-плазмового спікання

    Консолідація нанокомпозитів реакційним іскро-плазмовим спіканням