Материал: Углеродные наноматериалы, производство, свойства, применение (Мищенко), 2008, c.172

С . В . МИЩ ЕНК О, А . Г . ТК А ЧЕ В

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ. ПРОИЗВОДСТВО, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

МОСКВА " МАШИНОСТРОЕНИЕ"

2 0 0 8

УДК 672.86.02

ББК Г522

М717

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор МГУИЭ

М.Б. Генералов

доктор технических наук, профессор ВГТУ

И.В. Золотухин

Мищенко С.В., Ткачев А.Г.

М717 Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. – М.: Машиностроение, 2008. – 320 с.; ил.

ISBN 978-5-94275-407-5

Изложены основные сведения о строении, свойствах, механизмах образования и методах синтеза углеродных наноструктур. Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой технологий и оборудования для производства углеродных наноструктурных материалов (нанотрубок и нановолокон). Представлены методы и результаты определения характеристик модифицированных материалов.

Для специалистов различных областей техники и технологий, аспирантов, студентов.

УДК 672.86.02

ББК Г522

С.В. МИЩЕНКО, А.Г. ТКАЧЕВ

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ. ПРОИЗВОДСТВО, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Москва "Машиностроение"

2008

Научное издание

Мищенко Сергей Владимирович, Ткачев Алексей Григорьевич

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ. ПРОИЗВОДСТВО, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Редактор Т.М. Г л и н к и н а Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Р ы ж к о в а

Сдано в набор 15.05.2008 г. Подписано в печать 27.05.2008 г. Формат 60 × 84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Усл. печ. л. 18,6. Уч.-изд. л. 19,0.

Тираж 400 экз. Заказ 267

ООО "Издательство Машиностроение", 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

По вопросам приобретения книги обращаться по телефону 8(4752)638108

ВВЕДЕНИЕ

Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является синтез углеродных наноматериалов (УНМ) – фуллереноподобных структур, представляющих собой новую аллотропную форму углерода в виде замкнутых, каркасных, макромолекулярных систем. Среди этих материалов особое место занимают углеродные нанотрубки (УНТ) или нанотубулены, которые при диаметре 1...50 нм и длине до нескольких микрометров образуют новый класс квазиодномерных нанообъектов. УНТ обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов: хорошая электропроводность и адсорбционные свойства, способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов, диамагнитные характеристики, химическая и термическая стабильность, большая прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации. Материалы, созданные на основе УНТ, могут успешно использоваться в качестве структурных модификаторов конструкционных материалов, аккумуляторов водорода, элементов радиоэлектроники, добавок в смазочные материалы, лаки и краски, высокоэффективных адсорбентов, газораспределительных слоев топливных элементов. Широко обсуждается использование углеродных нано-структур в тонком химическом синтезе, биологии и медицине.

Существуют два основных способа получения УНТ. Первый состоит в испарении графита и последующей конденсации продукта при охлаждении паров (дуговой способ). Второй – основан на термическом разложении углеродсодержащих газов (chemical vapour deposition), сопровождающемся газофазным химическим осаждением (ГФХО) кристаллического наноуглерода на металлических катализаторах. Указанный способ также известен как CVD-процесс.

Оценивая эти способы получения УНТ с позиции перспектив промышленного производства, следует констатировать преимущества каталитического синтеза УНТ в процессе пиролиза углеводородов. В качестве аргументов в пользу этого вывода следует отметить: сравнительно низкую энергоемкость процесса; применение дешевого и доступного углеродсодержащего сырья; сравнительно "мягкие" технологические параметры синтеза; простоту конструкций и технологичность изготовления используемой аппаратуры; отсутствие необходимости дорогой очистки от примесей.

Опыт мировых производителей УНТ, среди которых лидируют США, Япония, Китай и Южная Корея, свидетельствует, что CVD-метод синтеза углеродных наноструктур является наиболее адаптированным к промышленному использованию.

Существуют различные оценки объема мирового рынка производства и реализации углеродных наноматериалов. Например, согласно оценкам фирмы "Cientifica", производство УНТ к 2010 г. должно составить несколько сотен тонн, а объем продаж – превысит 3 млрд. евро.

Что касается состояния рынка УНТ отечественного производства, то, к сожалению, следует констатировать его отсутствие. Этот факт вызывает удивление на фоне результатов исследовательских работ в области синтеза углеродных наноструктур, осуществляемых ведущими научно-исследовательскими организациями РФ, среди которых следует отметить разработки Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я. Карпова, Российского хими- ко-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН, ОНПП "Технология" и др.

В этой связи несомненный интерес, по нашему мнению, вызывает опыт создания опытнопромышленного производства многослойных нанотрубок, осуществленного в г. Тамбове коллективом ученых и специалистов ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", ООО "Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения", ОАО "Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова" и ООО "НаноТехЦентр".

Авторы книги, активно участвующие во всех этапах реализации проекта, осознают, что выполненные теоретические и экспериментальные исследования являются только небольшой частью в ряду российских разработок. Проведенные НИР и НИОКР были изначально нацелены на создание крупномасштабного производства УНТ при отсутствии опыта создания такового в нашей стране. Обладая значительным опытом в создании оборудования для реализации традиционных химико-технологических процессов, удалось разработать масштабируемую технологию синтеза УНТ и сформулировать методологические подходы к проектированию основных аппаратов технологической схемы производства углеродных нанопродуктов.