Стаття присвячена аналізу проблем синтезу вуглецевих нанотрубок як з позицій промислового використання, так і в сфері дослідження. Проведено порівняння різних методів отримання нанотрубок і виділена загальна риса для будь-якого з них фазові перетворення. Запропоновано провести дослідження процесу шляхом математичного моделювання, що враховує фазові переходи при синтезі

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Авцінов І. А., Попов Г. Г.


PROBLEMS OF CARBON NANTUBES SYNTHESIS

Article is devoted the analysis of problems of synthesis carbon nanotubes, both from positions industrial usage and in research sphere. Comparison of various methods of reception nanotubes is spent and the common feature for any of them phase transitions is allocated. It is offered to conduct researches of process by a way mathematic modeling considering phase transitions at synthesis


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2010


    Журнал: Вісник Воронезького державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'Проблеми синтезу вуглецевих нанотрубок '

    Текст наукової роботи на тему «Проблеми синтезу вуглецевих нанотрубок»

    ?УДК 66.G91.3

    ПРОБЛЕМИ СИНТЕЗУ вуглецевих нанотрубок

    І.А. Авцінов, Г.Г. Попов

    Стаття присвячена аналізу проблем синтезу вуглецевих нанотрубок як з позицій промислового використання, так і в сфері дослідження. Проведено порівняння різних методів отримання нанотрубок і виділена загальна риса для будь-якого з них - фазові перетворення. Запропоновано провести дослідження процесу шляхом математичного моделювання, що враховує фазові переходи при синтезі

    Ключові слова: вуглецева нанотрубка, синтез, промислове виробництво УНТ, фазові переходи

    Вступ

    Вуглецеві наноматеріали - це відносно нова аллотропная форма вуглецю. Класично до вуглецевих наноматеріалів можна віднести 2 класу нанорозмірних об'єктів: фулерени і нанотрубки.

    Фулерени, відкриті в 1985 р дослідницькою групою під керівництвом Смолли є нанорозмірний куля, переважно складається з Пентагону, в вершинах яких знаходяться атоми вуглецю. Найбільш стабільними сполуками, отриманими Смолли, були фулерени С6о і С70 (рис.1. А, б).

    Відкриття нанотрубок 1991 р послужило черговим поштовхом для вивчення як вуглецю, так і процесів синтезу вуглецевих наноматеріалів.

    Вуглецева нанотрубка являє собою графітову площину, згорнуту в циліндр, з обох кінців закриту кришками з половинок фуллерена.

    а Б В)

    Основні фізичні характеристики УНТ наведені в таблиці.

    Перераховані вище характеристики вуглецевих нанотрубок відкривають великий спектр їх різних застосувань.

    Фізичні характеристики вуглецевих нанотрубок [1,3]

    характеристика значення

    Модуль Юнга 1 - 1,4 ТПА (для стали 0,2 ТПА)

    Межа міцності на розтяг 30 - 100 ГПа (для стали 1 - 2 ГПа)

    Коефіцієнт теплопровідності вздовж нанотрубки 6600 Вт / (м-К) (вдвічі вище, ніж у однокристального алмаза)

    Питомий опір пучка нанотрубок при 300 К 10-4 Ом-см (для металевої трубки 0,03 мкОм-см)

    Допустима щільність струму 106 - 109 А / см2 (для міді 105 А / см2)

    Питома поверхня 600 м2 / г

    Мал. 1. Форми вуглецю: а) фуллерен С60; б) фуллерен С70; в) нанотрубка

    Класифікувати вуглецеві нанотрубки прийнято по 2-м параметрам:

    • кількість шарів;

    • хіральність (кут згортки).

    Ці два параметри структури визначають властивості вуглецевих нанотрубок (УНТ). Так, в залежності від кута згортки, Вуглецева нанотрубка може мати металеві або напівпровідникові електронні властивості. Кількість шарів впливає на міцність, сорбційні і ін. Характеристики цього матеріалу.

    Авцінов Ігор Олексійович - ВГТА, д-р техн. наук, професор, тел. (4732) 55-38-75

    Попов Гліб Геннадійович - ВГТА, аспірант, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    г ч Гнанотранзйстори ~~ | \

    Зонди електронних мікроскопів

    застосування

    вуглецевих

    наноматеріалів

    конструкційний

    матеріал

    А Ту-

    | _Сверхпроводнікі_ | І ^^^ ЧКУ ^^^ торь ^ газів ^^

    Мал. 2. Області застосування УНТ

    Схематично область застосування нанотрубок представлена ​​на рис. 2. Вони можуть застосовуватися в якості надпровідників, адсорбентів, легуючих добавок в полімерні матеріали та інші композити, акумуляторів газів, зондів для скануючої зондової мікроскопії, газових сенсорів, на їх основі можуть бути створені нанотранзистори [2].

    Промислове виробництво УНТ

    кращим є механізм утворення УНТ з іонів вуглецю.

    На середину 2009 року світовий обсяг виробництва УНТ становив 500 т / рік. Причому, не дивлячись на малі обсяги виробництва, в даний час можна виділити групу лідерів: Nanocyl 8.Л. (Бельгія); Nanoledge, CNRI, Arkema (Франція); Thomas Swan, Dynamics Lab. (Великобританія); Bayer (Німеччина); Carbon Nanotechnologies, Hype-rionCatalysis, Ebay, NanoLab, CarboLex, MER, Tailored Materials Corp., SweNT (США); Shenzen Nanotech Port Co. (Китай); Mitsui, Showa Denko (Японія); Raymor Industries Inc. (Канада) та ін. Щільність виробництва має нерівномірність, так лідером з виробництва УНТ є Азія, де виробляється 60% світового обсягу вуглецевих нанотрубок. На США і Європу припадає 26% і 10% відповідно.

    Зростаючий попит на УНТ підштовхує виробників до нарощування потужностей. Наприклад, компанія Bayer планувала до кінця 2009 року запуск заводу продуктивністю 200-260 т / рік, при цьому в планах компанії на найближчі кілька років збільшення обсягів виробництва до

    3 тис. Т / рік.

    Така ж динаміка спостерігається і у інших компаній, зайнятих у виробництві УНТ.

    Перспективи зростання такі, що до 2014 року ринок вуглецевих нанотрубок повинен збільшиться в

    4 рази в порівнянні з 2009 роком, що складе в грошовому еквіваленті 1,1 млрд. Дол. США [4].

    Сумарні потужності з виробництва УНТ в нашій країні оцінюються в 5-10 т / рік. Основними виробниками у нас можна вважати НТЦ «Гранат» (Московська область), ВАТ «Тамбовський завод" Комсомолець ^ ім. Н. С. Артемова », ЗАТ« Нанотехнології МДТ ».

    Крім малих обсягів виробництва (як світових, так і російських) існує і ще ряд виробничих проблем: велика енергоі-

    кістка процесів синтезу, а також відмінні один від одного параметри УНТ різних виробників.

    Способи отримання УНТ

    Існує безліч різних способів отримання вуглецевих нанотрубок, однак до класичних способів можна віднести каталітичне розкладання містять вуглець газів, випаровування вуглецю з понощью електричної дуги і лазерного випромінювання.

    Велика кількість досліджень синтезу УНТ присвячено механізму їх утворення [3]. Найбільш популярними ідеями в цьому напрямку є: освіту УНТ з графенових площин, з аморфного вуглецю і з іонів вуглецю.

    Однак, при будь-якому методі синтезу утворюється достатня кількість іонів. Наприклад, ступінь іонізації плазми при електродуги синтезі становить ~ 70%. Це говорить про те, що найбільш

    сировина

    Н ^ нО'руОкг

    Іони

    _ © -| © - <•>-© -

    Мал. 3. Механізм утворення УНТ

    Відомі в даний час способи отримання УНТ [1,4,5,6] можна класифікувати наступним чином:

    • за способом отримання іонів на: отримання іонів випаровуванням графіту і розкладанням вуглеводнів;

    • по виду енергії, що підводиться на: електродуги-вої, лазерний, хімічний, об'ємний нагрів і ін.

    • за способом осадження іонів на: пряме і каталітичне.

    Аналіз відомих способів отримання УНТ показує, що вони розрізняються продуктивністю (рис 4), енергоємністю (рис 5).

    Продуктивність, г / ч

    120

    100

    80

    60

    40

    20

    0

    25

    10

    1 + 1 1 + 1

    сС

    про

    F

    Мал. 4. Порівняльна способів отримання УНТ

    продуктивність

    Мал. 5. сранітельно енергоємність різних способів отримання

    На основі даних наведених в [5, 6] можна ввести коефіцієнт оцінки ефективності методу П по співвідношенню виробник-

    ність / енергоємність:

    П = 0 / Е, кг | с / м2 (1)

    де 0 - продуктивність методу, а Е -енергоемкость методу.

    Аналіз отриманих коефіцієнтів для різних способів отримання УНТ показує, що за співвідношенням енергоємність - продуктивність найбільш перспективним з точки зору практичного застосування є електродугової (рис. 6).

    Фазові переходи при синтезі УНТ

    Фазові переходи є об'єднуючим фактором для всіх способів отримання УНТ, але при цьому, параметри переходів не визначені. Це підтверджується тим, що завдання параметрів синтезу прозводится з емпіричних міркувань, відсутня відтворюваність результатів синтезу, а крім того, присутні великі енергетичні і матеріальні витрати. Та все це говорить про те, що дослідження і знаходження параметрів фазових переходів є актуальним завданням.

    Мал. 6. Коефіцієнт ефективності різних методів синтезу

    З позицій дослідження синтезу УНТ електродугової спосіб їх виробництва також є найбільш перспективним. При цьому способі відбувається безпосереднє перетворення вуглецю (графіту) в вуглецеві нанотрубки за механізмом, представленому на рис.3.

    Проте, експериментальні дані, отримані електродуговим способом, дозволяють побудувати на фазовій діаграмі вуглецю лише малу область існування вуглецевих наноструктур (рис.7, заштрихованная область). Причому в зазначеній області крім вуглецевих нанотрубок утворюються фулерени, аморфний вуглець, графітові кластери тощо.

    Провівши через краю області і потрійну точку на діаграмі лінії за характером збігаються з

    лінією розділу графіт - газ можна отримати області існування фулеренів і нанотрубок. Однак ці побудови носять приблизний характер, що дає малий практичний результат. Для більш детального дослідження параметрів освіти вуглецевих наноструктур необхідний аналіз особливостей електродугового синтезу.

    Особливості електродугового синтезу

    В даний час більшість установок для електродугового отримання вуглецевих нанотрубок працюють за схемою запропонованою в 1990 році Кретчмером і Хаффманом.

    Принципова схема установки для електродугового синтезу представлена ​​на рис. 8.

    О. 7

    / Лмаз Ш кіс. 77Я

    -

    / Графіт

    | / І.

    НанотіІкі

    0/2 З и 5 6 7 8 9 V

    Т. 1000 К

    Мал. 7. Доповнена фазову діаграму вуглецю

    Установка працює в такий спосіб. У герметичній камері 5 створюється розрідження. На електроди 1 і 3 подається різниця потенціалів 2G - 3G В.Електроди, за допомогою системи переміщення 4, приводяться в рух до виникнення електричної дуги. У процесі горіння відбувається випаровування графіту на аноді і його осадження. Температура анода і катода підтримується на необхідному рівні за допомогою водяної системи охолодження.

    Депозит, що утворюється на катоді, містить різні форми вуглецю: фулерени, нанотрубки, графітові кластери і аморфний вуглець.

    Для зменшення взаємодії наночастинок вуглецю з повітрям герметична камера заповнюється інертним газом (гелієм, аргоном і т.п.).

    Мал. 8. Установка електродугового синтезу УНТ: 1 - анод; 2 - депозит; 3 - катод; 4 - система переміщення електродів; 5 - герметична камера, наповнена гелієм

    Синтез проходить швидкоплинно, при цьому, постійно змінюються такі параметри синтезу як міжелектродний зазор, ток, температурні поля на електродах. При цьому, температура електродів лежить в межах 3500 - 4000, а тиск в камері становить 400 - 600 торр.

    Високі температури і тиску ускладнюють пряме дослідження процесу. Таким чином, найбільш доцільним інструментом для дослідження є математичне моделювання.

    висновок

    Незважаючи на неординарні властивості вуглецевих нанотрубок існує ряд перешкод

    для їх широкого промислового застосування. Такими перешкодами є, наприклад, малі обсяги виробництва, сильне розходження в якість і характеристики УНТ різних виробників, а також великі енергетичні витрати на виробництво і, відповідно, ціна трубок.

    Дослідження параметрів фазових переходів направлено на рішення перерахованих вище труднощів.

    Жорсткі умови, які необхідно підтримувати в процесі виробництва, і швидкоплинність процесу ускладнюють пряміше дослідження, що підводить до використання математичного моделювання як інструмент досліджень.

    література

    1. Ткачов А.Г. Апаратура і методи синтезу твердотільних наноструктур / А.Г. Ткачов, І.В. Золотухін М .: Машинобудування-1, 2007.

    2.Суздалев І.П. Нанотехнології: шляхи розвитку та перспективи / І.П. Суздалев // Аналітичні огляди РФФД. 2006.

    3. Крестініна А.В. Одношарові вуглецеві нанотрубки: механізм утворення та перспективи технології виробництва на основі електродугового процесу / О.В. Крестініна // Ж. Рос хім. заг. ім. Д.І. Менделєєва. 2004. Т. XLVIII. № 5.

    4. Кім С. Від вуглецевих волокон - до нанотрубок / С. Кім // The Chemical Journal. 2009. № 10.

    5. Бородін В.І. Великомасштабне виробництво Фуллер-нів. / В.І. Бородін, В.А. Трухачов // Матеріали семінару НОЦ "Плазма" 09.04.2005 (електронний ресурс: http: // plasma. Karelia. Ru / pub / arc / borodin_fullerene_2005.zip).

    6. Іванов А.І. Математична модель умов електродугового синтезу вуглецевих нанотрубок: дис. ... канд. техн. наук / О.І. Іванов. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронеж.ская державна технологічна академія». 2006

    Воронезька державна технологічна академія

    PROBLEMS OF CARBON NANTUBES SYNTHESIS I.A. Avcinov, G.G. Popov

    Article is devoted the analysis of problems of synthesis carbon nanotubes, both from positions industrial usage and in research sphere. Comparison of various methods of reception nanotubes is spent and the common feature for any of them - phase transitions is allocated. It is offered to conduct researches of process by a way mathematic modeling considering phase transitions at synthesis

    Key words: carbon nanotube, synthesis, industrial production CNT, phase transitions


    Ключові слова: вуглецеві нанотрубки /СИНТЕЗ /ПРОМИСЛОВЕ ВИРОБНИЦТВО УНТ /ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ /CARBON NANOTUBE /SYNTHESIS /INDUSTRIAL PRODUCTION CNT /PHASE TRANSITIONS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити