Все из углерода (современные углеродные

материалы)

Лекция доцента Химического факультета МГУ Дроздова А.А.

Графит

От древне-греческого γράφω — пишуВ природе графит образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах. Искусственные методы синтеза: 1.нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C; 2.из газообразных углеводородов при температуре 1400—1500 °С в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500—3000 °С при давлении 50 МПа

Материалы на основе графита

Алмаз

1694 г., Джани Аверани и Карло Тарджони при попытке сплавить несколько мелких алмазов в один крупный обнаружили, что при сильном нагревании алмаз сгорает, как уголь1772 г., Антуан Лавуазье установил, что при сгорании алмаза образуется диоксид углерода1814 г., Гемфри Дэви и Майкл Фарадей окончательно доказали, что алмаз является химическим родственником угля и графита

1823 г., Василий Каразин, первая попытка синтеза алмаза

1893 г., профессор Хрущов при быстром охлаждении расплавленного серебра, насыщенного углеродом, также получил кристаллы, царапавшие стекло и корунд.

1879 г., Джеймс Хэнней обнаружил, что при взаимодействии щелочных металлов с органическими соединениями происходит выделение углерода в виде чешуек графита

1943 г., повторное исследование образцов Хэннея подтвердило, что полученные кристаллы являются алмазами1961 г., появились первые публикации фирмы "DuPont" о реализации идей получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита

Майкл Фарадей

ЛонсдейлитАлмаз гексагональный

Кэтлин Лонсдейл

1966 г., первая публикация, Frondel, C.; U.B. Marvin

2009 г., группе американских и китайских ученых удалось доказать, что самый твердый на сегодняшний день материал — специально обработанный лонсдейлит. Он оказался на 58 процентов тверже алмаза

Одновременно обнаружен в природе в метеоритном каньоне

КарбеныНачало 90 гг. 20 века, депротонированием имидазолиевых солей были получены устойчивые кристаллические карбены

Карбин

Начало 60 гг. 20 века, ИНЭОС АН СССР, впервые получен советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым

В. В. Коршак, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин и Ю. П. Кудрявцев

Линейный полимер углерода

ГрафенГрафен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку

2004 г., российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science[2], где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния

Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала

1967 г., П. Воллес показал, что в зонной структуреграфена отсутствует запрещённая зона

1880 г., Т. Эдисон, предложил использовать углеродные волокна в качестве нитей накаливания

Углеродные волокна

Середина 20 века, интерес к углеродным материалам вернулся, композиты на основе углепластика, секретные военные разработки

1967 г., карбон появился в свободной продаже в Англии

1958 г., США, углеродные волокна на основе вискозных волокон 1960 г., США, была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа

1981 г. Джон Барнард, впервые использовал карбоновое волокно при создании монокока F1 на McLaren MP4

Т. Эдисон

Д. Барнард2007 г. Специалисты из Кэмбриджского университета смогли создать новый тип углеродного волокна

Углеродные волокна

Томас Эдисон (1847 – 1931)

Пористые углеродные материалы

2000 м2/г 2000 м2/г

Фуллерены

Архитектор Ричард Бакминстер Фуллер

XVIII в., Леонард Эйлер разработал теорию многогранников - полиэдров

Леонард Эйлер1895 г., Бакминстер Фуллер применял этот принцип пристроительстве так называемых геодезических куполов - зданий с купольной структурой1973 г., ИНЭОС АН СССР, Е.Г. Гальперн и И.В. Станкевич, проведен квантово-химический расчет молекулы карбододекаедрана

1985 г., Г. Крото и Р. Смолли, В масс-спектрах паров графита был выявлен интенсивный пик, отвечающий по массе молекуле С60, и еще один менее интенсивный пик, соответствующий молекуле С70

1990 г., В. Кречмер и Д. Хаффман разработали метод получения заметных количеств фуллеренов при испарении графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия 1996 г., Смоли, Крото и Кёрл удостоены нобелевской премии

НанотрубкиНанотрубки – цилиндрические, полиэдрические или уплощенные наночастицы, имеющие внутреннюю полость и диаметр от 0,3 до 50 нм

Однослойные имеют диаметр 0,7 – 1,2 нм

Многослойные (коаксиальные цилиндры) – 200 нм

Углеродные нанотрубки

1991 г., Иджима, наблюдения структуры многослойных нанотрубок

Более ранние свидетельства:

1974-1975 г., Эндо и др., ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å

1992 г., Nature, публикована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г.

1952 г., Статья советских ученых Радушкевича и Лукьяновича , сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм

1986 г., М.Ю. Корнилов предсказал существование однослойных углеродных нанотруб

Первые РЭМ наблюдения углеродных нанотрубок

Л.В.Радушкевич, В.М.Лушкинович. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железе ЖФХ (1952)

TEM наблюдение J.Iijima (Nature,1991) коаксиальных многостенныхнанотрубок с различными внутренними диаметрами и числомоболочек с различной хиральностью

получены СНТ<10 нм метод CVD

M. Endo PhD thesisOrlean,France.1975

Oberlin, M. Endo, T. Koyama. J. Cryst. Growth 32, 335 (1976).__

100 нм

Углеродные нанотрубки

1991 г., Иджима, наблюдения структуры многослойных нанотрубок

1974-1975 г., Эндо и др., ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 А

1992 г., Nature, опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г.

1952 г., Статья советских ученых Радушкевича и Лукьяновича , сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм

1986 г., М.Ю. Корнилов предсказал существование однослойных углеродных нанотрубок

Дамасская сталь - вуц• Изобретена и производилась в Индии и

на Шри-Ланка с 300 г до н.э., впервые описана в 540 г.

• Торговля слитками вуца диаметром 8 см• Материал для клинков, сабель, мечей• Известна на Руси (булат)• Высокоуглеродистая сталь (1,2 – 2% С)

повышенной твердости и вязкости

Разрушение цементитной сетки при прокатке:Слева – до прокатки, справа –после.Вверху –увеличение 130 раз, внизу 6.5 раз

Иглы цементита в матрице из перлита

Нанопроволоки в дамасской стали, длина волокон несколько сот нм

25

Многофункциональные УНТ пряжи выполненной в микромасштабе по древней

технологии Mei Zhang, Ken R. Atkinson, Ray H.

Baughman(Science2004)

• Прядение - это процесс продольного складывания и спирального скручивания отдельных волокон, вытянутых из исходного материала, для получения длинной и прочной нити.

• Пряжа получена вытягиванием нанотрубок, удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) достигает 144 МПа·см3/г

• Сверхпроводящее волокно получили, используя смесь порошков Mg и B (атомное отношение Mg:B=1:2.7)

• Mg + 2 B = MgB2(750 C, 30 мин, Ar)

• волокно MgB2@MСНТ2,1 являетсясверхпроводящим с критическойтемпературой 39К, характерной дляMgB2

Внедрение в пряжу наночастиц «гостя»

Электросопротивление и SEM-изображение волокна MgB2@MСНТ2,1. Диаметр волокна 170 мкм.

Космические лифты

1895 г., К. Циолковский, высказал идеюСоздания космического лифта

Создание лифта оценивается в 7—12 млрд долларов США. НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу.

Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 ГПа.

Прочность стали — около 1 ГПа,и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа

Прочность кевлара - 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим выше.

Теоретически прочность углеродных нанотрубок должна быть более 120 ГПа