В развитии цивилизации материалы всегда играли важнейшую роль. Ученые говорят, что историю человечества можно описать как смену используемых материалов. Эпохи истории цивилизации были названы по материалам: каменный, бронзовый и железный века. Возможно, нынешнюю эпоху назовут веком композиционных материалов. В развитых странах материаловедение причисляется к трем наиболее приоритетным областям знаний наряду с информационными технологиями и биотехнологией.
Каждая отрасль техники по мере своего развития предъявляет все более разнообразные и высокие требования к материалам. Например, конструкционные материалы для спутников и космических кораблей, кроме температурной (высокие и сверхнизкие температуры) и термоциклической стойкости, должны обладать герметичностью в условиях абсолютного вакуума, стойкостью против вибрации, больших ускорений (в десятки тысяч раз больше ускорения силы тяжести), метеоритной бомбардировки, длительного воздействия плазмы, излучения, невесомости и т.д. Удовлетворить столь противоречивые требования могут только композиционные материалы, состоящие из нескольких компонентов, резко различающихся по свойствам.
Слоистый интерметаллидный композит с повышенной жаропрочностью
Волокнистый композит, обладающий сверхпроводимостью
Износостойкий дисперсно-упрочненный композиционный материал
Развитие нанотехнологий (одного из разделов современного материаловедения) по прогнозам большинства экспертов определит облик XXI столетия. Подтверждением этому является присуждение за последние 15 лет четырех Нобелевских премий в области химии и физики: за открытие новых форм углерода - фуллеренов (1996 г.) и графена (2010 г.), за разработки в области полупроводниковой техники и интегральных схем (2000 г.), оптических полупроводниковых сенсоров (2009 г.). Россия находится на втором месте в мире по объему инвестиций в нанотехнологии, уступая лишь США (в 2011 году объем инвестиций составил около 2$ млрд). В настоящее время наука переживает настоящий бум новых материалов. В связи с этим специалисты-материаловеды востребованы во многих отраслях: в атомной энергетике, медицине, нефтедобывающей, автомобильной, авиационной, космической, оборонной, энергетической промышленностях, индустрии спорта высших достижений, исследовательских институтах, инновационных компаниях по производству наукоемкой продукции.
Детали и узлы самолета Sukhoi Superjet 100, выполненные из композиционных материалов
Гибкие дисплеи на основе графена
Современный спортивный инвентарь, изготовленный из композиционных материалов
Материаловеды занимаются разработкой, исследованием и модификацией материалов органической и неорганической природы различного назначения; процессов их получения, структурообразования, превращения на стадиях получения, обработки и эксплуатации; вопросами надежности и эффективности материалов; компьютерным моделированием поведения деталей и узлов при различных видах нагружения; обеспечивают техническую поддержку различных производственных подразделений в вопросах, касающихся материалов для изготовления узлов и компонентов оборудования, участвуют в выборе и оценке потенциальных поставщиков компании.
Выпускники направления «Материаловедение» ВолгГТУ востребованы работают в крупных компаниях и предприятиях: ОАО «СУАЛ филиал ВгАЗ-СУАЛ», ООО «ЛУКОЙЛ - Волгограднефтепереработка», ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», ОАО «Волгограднефтемаш», АО «ЦКБ «Титан», ОАО «Нефтезаводмонтаж», АО «ВМК «Красный Октябрь», ОАО «Волжский трубный завод», ОАО «ТК «Нефтехимгаз», ОАО «Экспертиза», ООО «Волгограднефтепроект», ОАО «Каустик», ООО «Константа-2» и многих других.
Подготовка дипломированных бакалавров и магистров ведется в рамках направления «Материаловедение и технологии материалов» на
1Рекомендовано к изданию Институтом металлургии и материаловедения (ИМЕТ) им. А.А. Байкова РАН (лаборатория физикохимии и технологии покрытий - зав. лаб. В.И. Калита, д.т.н., профессор) и Санкт-Петербургским инженерно-экономическим университетом (кафедра инженерно-технических наук - зав. каф. В.К. Федюкин, д.т.н., профессор, член-корр. Международной академии высшей школы) в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по технологическим направлениям подготовки как часть курса «Современные технологии и материалы по отраслям промышленности».
Получен Гриф УМО по ППО № 04-01 (Допущено Учебно-методическим объединением по профессионально-педагогическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений).
Научно-технический прогресс в сфере высоких технологий - в материаловедении, электронике, микромеханике, медицине и других областях деятельности человека связан с результатами фундаментальных и прикладных исследований, конструирования и практического использования структур, материалов и устройств, элементы которых имеют размеры в нанометровом диапазоне (1 нм = 10-9м), и развитием технологий их изготовления (нанотехнологий) и методов диагностики. Объектами нанотехнологии в материаловедении являются дисперсные материалы, пленки и нанокристаллические материалы.
Цель пособия - ознакомить студентов и специалистов с новым эффективным направлением развития науки и техники в области наноматериалов и нанотехнологий, в частности, синтеза нанокристаллических конструкционных материалов, обладающих уникальными свойствами и примерами их использования в промышленности.
В пособии рассмотрены теоретические и технологические основы, проблемы и перспективы нанонауки и наноиндустрии. Предложены определения основных понятий нанонауки. Систематизированы данные о наноматериалах и наноструктурах, дана их классификация. Описаны методы исследований и конструирования наноструктур. Дан анализ методов синтеза наноструктурированных материалов и ряда примеров их применения в традиционных и новых технологиях в различных отраслях производства. Рассмотрены особенности изменения физических, механических и технологических свойств конструкционных и функциональных наноматериалов.
Учебное пособие разработано для студентов высших учебных заведений, обучающихся по различным специальностям, изучающих курсы материаловедения и технологии конструкционных материалов. Может быть полезна аспирантам, специалистам и научным работникам, занимающихся вопросами наноматериалов и нанотехнологий.
Структура учебного пособия:
Введение.
Глава 1. Основы и аспекты развития науки о наноматериалах и нанотехнологиях.
Глава 2. Наноматериалы и наноструктуры.
Глава 3. Методы изучения и конструирования наноструктур.
Глава 4. Технологии получения наноструктурированных материалов и изготовления наноизделий.
Глава 5. Механические свойства наноматериалов.
Заключение.
Библиографический список.
Список терминов.
Приложение: Специализированная выставка нанотехнологий и наноматериалов.
Библиографическая ссылка
Забелин С.Ф., Алымова М.И. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ (УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ) // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 1. – С. 65-66;URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (дата обращения: 17.09.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Модель углеродной нанотрубки
Конец одного и начало следующего года – особенное время, когда человечество посещает желание проанализировать прошлое и задуматься над тем, что впереди. И в начале нового года мы хотим сделать обзор 10 наиболее важных достижений в нанотехнологиях с начала их развития, касающихся материаловедения.
Так начинает свою публикацию в посленовогоднем выпуске журнала Materials Today Дж.Вуд (J.Wood), один из его редакторов, задаваясь вопросом, какие события последних 50 лет определили сегодняшнюю высокую динамику развития материаловедения. Вуд выделяет 10 событий (не включая сюда открытие высокотемпературной сверхпроводимости, очевидно, как событие, значимое больше для физиков, чем для материаловедов).
На первом месте – «Международная маршрутная карта для полупроводников» (International Technology Roadmap for Semiconductors – ITRS), не научное открытие, а, собственно, документ (аналитический обзор), составленный большой международной группой экспертов (в 1994 г. к составлению Карты привлекали более 400 технологов, а в 2007 г. – уже более 1200 специалистов от промышленности, из национальных лабораторий и академических оранизаций). Объединив науку, технологию и экономику, Карта устанавливает цели, достижимые в заданный период времени, и наилучшие пути движения к ним. Финальный отчет (в 2007 г. он содержит 18 глав и 1000 страниц текста) – это результат консенсунса между большей частью экспертов, достигнутый после длительных дискуссий. С подобной проблемой столкнулись российские организаторы наноисследований при выборе цели наноразработок. Они пытаются в сжатые сроки «инвентаризировать» уже «наносущее» в России и, призвав спешно создаваемые экспертные советы, найти оптимальное направление русла развития. Знакомство с содержанием отчета ITRS и опыт организации этих исследований, очевидно, мог бы быть полезен.
Рис. 1. Полупроводниковые исследования на базе ITRS
Второе место – сканирующая туннельная микроскопия – не вызывает никакого удивления, ведь именно это изобретение (1981 г.) послужило толчком к наноисследованим и нанотехнологиям.
Третье место – эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных структурах из магнитных и немагнитных материалов (1988 г.), на его основе созданы считывающие головки для жестких дисков, которыми сегодня оснащены все персональные компьютеры.
Четвертое место – полупроводниковые лазеры и светодиоды на GaAs (первая разработка датируется 1962 г.), основные компоненты телекоммуникационных систем, CD и DVD плееров, лазерных принтеров.
Пятое место – снова относится не к научному открытию, а к грамотно организованному в 2000 г. мероприятию по продвижению массированных перспективных научных исследований – т.н. «Национальная нанотехнологическая инициатива» США. Наука всего мира теперь многим обязана энтузиастам этой инициативы – тогдашнему президенту Б. Клинтону и д-ру М. Роко (Mihail C. Roco) из Национального научного фонда США. Общемировой объем финансирования наноисследований в 2007 г. превысил 12 млрд. долл. Соответсвующие научные программы запущены в 60 (!) странах мира. К слову, немного не понятна позиция некоторых российских ученых, недовольных «нанопургой» [например, 2], ведь именно эта пурга заставила российское правительство наконец повернуться лицом к науке.
Рис. 2. Велосипед, армированный нановолокнами
Шестое место – пластмассы, армированные углеродными волокнами. Композитные материалы – легкие и прочные – преобразовали многие отрасли: авиастроение, космические технологии, транспорт, упаковочные материалы, спортивное снаряжение.
Седьмое место – материалы для литиевых ионных батареек. Трудно себе представить, что еще недавно мы обходились без лаптопов и мобильных телефонов. Эта «мобильная революция» была бы невозможна без перехода от перезаряжаемых батареек, использующих водные электролиты, к более энергоемким литиевым ионным батарейкам (катод – LiCoO__2__ или LiFeO__4__, анод – углеродный).
Восьмое место – углеродные нанотрубки (1991 г.), их открытию предшествовало не менее сенсационное открытие в 1985 г. фуллеренов C__60__. Сегодня поразительные, уникальные и многообещающие свойства углеродных наноструктур находятся в центре самых «горячих» публикаций. Однако остается еще много вопросов к методам их массового синтеза с однородными свойствами, методам очистки и технологиям их включения в наноприборы.
Рис. 3. Метаматериал, поглощающий электромагнитное излучение
Девятое место – материалы для мягкой печатной литографии. В производстве сегодняшних микроэлектронных приборов и схем, запоминающих сред и других изделий центральное место занимают литографические процессы, и в ближайшем будущем альтернативы не видно. Мягкая печатная литография использует упругий штамп из полидиметилоксисилана, который можно применять многократно. Метод можно использовать на плоских, изогнутых и гибких подложках при достигнутом на сегодня разрешении до 30 нм.
Кафедра «Нанотехнологии, материаловедение и механика» создана в декабре 2011 года на базе двух кафедр физико-технического института ТГУ и имеет глубокие исторические корни. У истоков кафедры стояли учёные мирового масштаба, профессора М.А. Криштал, Г.Ф. Лепин и Е.А. Мамонтов, которые внесли огромный вклад в науку о физическом материаловедении и создали фундамент научно-исследовательской базы материаловедческого направления в университете.
Секция «Механика»; базовая кафедра «Наноматериалы» (Москва, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина), научно-образовательный центр «Физическое материаловедение и нанотехнологии»;
Более 20 современных, хорошо оснащенных учебно- и научно-исследовательских лабораторий электронной, лазерной, атомно-силовой микроскопии, физико-механических испытаний, рентгеноструктурного анализа, металлографии и акустической эмиссии и др., три из которых аккредитованы в системах Ростехнадзора и аналитических лабораторий (СААЛ);
Международная школа «Физическое материаловедение»
Сотрудничество с ведущими российскими и зарубежными научными школами, в том числе с университетами Германии (Фрайберг), Японии (Осако, Киото), Австралии (Мельбурн) и др.
Все студенты-старшекурсники занимаются плодотворной научно-исследовательской работой и ежегодно становятся победителями и лауреатами конкурсов научных работ и дипломных проектов. Почти 100% выпускников кафедры трудоустроены, из них 80% работают по специальности в исследовательском центре и управлении лабораторно-испытательных работ ПАО «АВТОВАЗ», лабораториях Самарского регионального инновационно-технологического центра, а также в экспертных организациях.
Исполняющий обязанности заведующего кафедрой
профессор, доктор технических наук
Клевцов Геннадий Всеволодович
Направления подготовки
Бакалавриат:
– 22.03.01 Материаловедение и технологии материалов (профиль «Современные материалы и технологии их производства»)
Магистратура:
– 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов
(профиль «Инжиниринг перспективных материалов и диагностика поведения материалов в изделиях»)
Аспирантура:
– 03.06.01 Физика и астрономия
(профиль «Физика конденсированного состояния»)
– 22.06.01 Технологии материалов (профиль «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»)
Цели образовательной программы 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов (Инжиниринг перспективных материалов и диагностика поведения материалов в изделиях):
Ц1. Подготовка выпускника к научно-исследовательской работе в области современного материаловедения.
Ц2. Подготовка выпускника к созданию новых материалов, исследованию их свойств, разработки технологии их получения.
Ц3. Подготовка выпускника к конструированию материалов с заданными свойствами.
Ц4. Подготовка выпускника к производственно-технологической деятельности, обеспечивающей внедрение в эксплуатацию новых наукоемких разработок, востребованных на мировом уровне.
Дисциплины
Преподаватели кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ведут занятия по следующим дисциплинам:
– Теоретическая механика;
– Сопротивление материалов;
– Теория машин и механизмов;
– Детали машин;
– Материаловедение;
– Технология конструкционных материалов;
– Нанотехнологии в производстве и экологии;
– Физико-химические основы нанотехнологий;
– Материаловедение наноматериалов и наносистем;
– Физика конденсированного состояния;
– Фазовые равновесия и структурообразование;
– Физическое материаловедение;
– Прочность сплавов и композитов;
– Новые технологии и материалы;
– Методы упрочнения конструкционных материалов;
– Неразрушающие методы исследования и др.
Главная > ДокументМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановская государственная текстильная академия»
Кафедра физики и нанотехнологий
| УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе В.В.Любимцев «_____»___________________2011 г. |
||
| Материаловедение наноматериалов и наносистем |
||
| Код, направление подготовки | 152200 Наноинженерия |
|
| Профиль подготовки | Наноматериалы |
|
| Цикл, код | Математический и естественно-научный (Б.3.1-3а) |
|
| Семестр(ы) | ||
| Квалификация (степень) выпускника | бакалавр |
|
| Форма обучения | очная |
|
| Факультет | индустрия моды |
|
Иваново 2011
В результате изучения дисциплины «Материаловедение наноматериалов и наносистем» обучающиеся должны: знать: - свойства и области применения нанодисперсных порошковых, фуллереновых наноструктурных твердых, жидких и гель-образных материалов, наноразмерных элементов и объектов, наносистем (гетероструктур); основы нанотехнологий получения наноматериалов; основы нанотехнологий получения наноструктурных и градиентных упрочняющих, защитных и функциональных слоев и покрытий; основы технологических процессов синтеза композитных материалов; уметь: - подбирать наноструктуры и методы их производства для реализации нанообъектов с заданными характеристиками под конкретные требования преобразования электрических, оптических, магнитных, тепловых и механических сигналов; - использовать основные понятия и определения при формировании углубленных знаний в сфере наноинженерии; - анализировать особенности нанопродуктов и нанотехнологий; составлять схемы технологического оборудования и приборов для нанотехнологических процессов. владеть: - навыками в решении задач формирования знаний в сфере наноинженерии. Рабочей программой дисциплины предусмотрены следующие виды учебной работы:
| Вид учебной работы | Всего часов / зачетных единиц | Номер семестра |
|
| Аудиторные занятия (всего) | |||
| В том числе: | |||
| Практические занятия (семинары) | |||
| Самостоятельная работа (всего) | |||
| Подготовка к практическим занятиям (семинарам) | |||
| Изучение теоретических вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение | |||
| Подготовка к зачету | |||
| Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | |||
| Общая трудоемкость: часы зачетные единицы | |||
История появления наноматериалов, динамика их развития и внедрения в практику.
Основные понятия и классификация наноструктурированных материалов.
Особенности свойств и основные виды наноразмерных систем.
Технологические процессы производства, обработки и модификации наноматериалов и изделий на их основе.
| Заведующий кафедрой | А.К. Изгородин |
| Преподаватель-разработчик |