Стебелева, Олеся Павловна. Кавитационный синтез наноструктурированного углеродного материала

Краткое описание

Стебелева, Олеся Павловна. Кавитационный синтез наноструктурированного углеродного материала : диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.06 / Стебелева Олеся Павловна; [Место защиты: Сиб. федер. ун-т].- Красноярск, 2011.- 134 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/526

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАВИТАЦИОННЫЙ СИНТЕЗ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО
МАТЕРИАЛА
Специальность 05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные
материалы
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В. А. Кулагин
Красноярск 2011 
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Существующие методы синтезирования наноуглеродных структур 9
1.1 Получение фуллеренов и других углеродных наноструктур 9
1.2 Гидратированный фуллерен 16
1.3 Кинетика кавитационного воздействия 24
1.4 Оборудование кавитационной технологии 31
1.5 Цели и задачи диссертационного исследования 36
2 Методика экспериментального исследования 37
2.1 Суперкавитационный миксер 37
2.2 Объект исследования и техника эксперимента 41
2.3 Средства и методы контроля 43
2.3.1 Рентгеноспектральный анализ 43
2.3.2 Рентгенофазовый анализ 45
2.3.3 Синхронный термический анализ 47
2.3.4 Микроскопия 48
2.3.5 Методы электронно-парамагнитного резонанса и
мессбауэровской спектроскопии 49
2.4 Методы регистрации физико-химических свойств воды 51
2.4.1 Контрольно-измерительные приборы и оборудование 51
2.4.2 Методика проведения измерений физико-химических
характеристик воды 52
2.4.3 Регрессионный анализ экспериментальных данных 52
2.5 Оценка достоверности полученных результатов 58
2.6 Выводы 60
3 Изменения физико-химических свойств углеродных материалов при
кавитационной обработке 61
3.1 Оптические и электронно-микроскопические исследования
кавитационно-активированных материалов 61
3.2 Изменения внутренней структуры углеродного материала
в результате кавитационной обработки по данным ЭПР и мессбауэровской спектроскопии
3.3 Образование фуллерена C синтеза 73
3.3.1 Рентгеновский фазовый анализ КАУМ 73
3.3.2 Синхроннотермический анализ КАУМ 76
3.4 Феноменологическая модель образования КАУМ 83
3.5 Выводы 87
4 Применение КАУМ в качестве модифицирующих добавок 89
4.1 Влияние наномодификаторов углеродного типа на
трибологические свойства жидких минеральных масел 89
4.1.1 Влияние фуллеренов на трибологические свойства жидких
минеральных масел 90
4.1.2 Износ стальных поверхностей при использовании КАУМ
в качестве присадки к смазочным материалам 92
4.2 Использование наномодификаторов активированного типа для
термопластического серного вяжущего в стройиндустрии 96
4.2.1 Использование КАУМ в качестве модификатора
для строительных материалов на основе серного вяжущего 96
4.3 Использование КАУМ в качестве модификатора для строительных
материалов на основе цементного вяжущего 102
4.4 Выводы 107
4.5 Первостепенные задачи дальнейших исследований 108
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 110
ЛИТЕРАТУРА 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Акты об использовании результатов диссертационной работы 132
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы определяется необходимостью получения и исполь-зования, новых углеродных наноструктурных композиций и материалов с нетри-виальными физико-механическими свойствами для реализации новых возможно¬стей, обусловленных современными тенденциями развития науки и техники, а также усовершенствования методов и средств их синтеза.
Разработке и применению технологий синтеза углеродных наномате¬риалов посвящены труды П. Н. Дьячкова, Кеннет и Стефен Деффейс, А. И. Лямкина, А. М. Ставера, Г. А. Чигановой, Г. Н. Чурилова и многих дру¬гих исследователей и практиков. Существующие технологии получения уг¬леродных наноматериалов сложны, энергозатратны, являются дорогостоя¬щими в производственном цикле, что составляет важную задачу для эконо¬мики страны, заключающуюся в производстве и использовании новых нано¬структурных композиций и материалов с учетом повышения эффективности методов их получения.
В этой связи целесообразно использование наукоемких технологий, в частности, эффектов кавитационной технологии, достаточно легко реализуе¬мой, энергоэффективной и в ряде случаев не имеющей альтернативы.
Технологическое применение эффектов кавитации, а также описание оборудования для кавитационной обработки многокомпонентных гетерофаз¬ных сред отражено в работах А. М. Балабышко, С. А. Есикова, А. К. Звезди- на, В. М. Ивченко, А. Я. Исакова, В. А. Кулагина, Л. И. Мальцева, М. А. Маргулиса, А. Ф. Немчина, М. А. Промтова, В. П. Ружицкого, Е. А. Сморо- дова, А. Шёргера и др., в которых отмечается зависимость эффективности и качества обработки водных суспензий от целого ряда гидродинамических и теплофизических параметров. Однако их влияние на свойства обрабатывае¬мых сред до конца не изучено, отсутствуют сведения о режимных парамет¬рах получения наноструктурных материалов вообще, и углеродных структур, в частности, что подчеркивает актуальность данной диссертационной работы и в плане установления технологических режимов кавитационного синтеза
наноструктурных углеродных материалов.
Работа выполнена в рамках открытого плана НИР ФГАОУ ВПО «Си¬бирский федеральный университет» «Разработка энергоэффективных и экобе¬зопасных технологий» в 2005-2010 гг. Тема диссертации соответствует перечню «Критические технологии РФ» по направлению «Синтез новых углеродных ма¬териалов: фуллеренов, нанотрубок и их производных».
Объект исследования - кавитационно-активированный углеродный ма¬териал (КАУМ).
Предмет исследования характеристики дисперсных систем в виде КА¬УМ и закономерности физико-механических процессов их получения и исполь¬зования.
Цель диссертационной работы состоит в получении новых углерод¬ных наноструктурных материалов, установлении рациональных режимов их кавитационного синтеза и практического использования КАУМ в качестве наномодификатора различных производственных процессов.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены сле¬дующие задачи:
анализ существующих методов синтеза углеродных наноматериалов, дать всестороннюю оценку существующих технологий и определить направ¬ления по повышению их эффективности;
усовершенствование кавитационной технологии и научное обоснова¬ние метода кавитационного синтеза КАУМ;
изучение физико-химических свойств КАУМ;
определение роли воды как дисперсионной среды в процессе синтези¬рования кавита-ционно-активированного углеродного материала;
разработка практических рекомендаций применения КАУМ в качестве наномодификатора в различных производственных процессах.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
1. Установлены закономерности процессов формирования трубчатых углеродных структур и изменения свойств различных типов саж после кави¬тационной обработки и сформулирована феноменологическая модель обра¬зования новых наноструктурированных углеродных материалов, в состав ко¬торых входят гидратированные сажевые глобулы и гидратированный фуллерен;
2. Усовершенствован метод кавитационного синтеза нового углерод¬ного материала фуллероидного типа из водной суспензии древесной сажи - кавитационно-активированного углеродного материала. Определены зависи¬мости влияния режимных параметров кавитационной обработки (скорости и времени обработки, числа кавитации) на физико-химические свойства КАУМ, обеспечивающие максимальную эффективность его получения;
3. Выявлены изменения физико-химических свойств воды (электро-проводность, водородный показатель (pH), окислительно-восстановительный потенциал, кислородосодержание и др.) и ее роль в кавитационном синтезе КАУМ; установлена рациональная продолжительность кавитационной обра¬ботки воды, которая составляет 30-90 с при числах кавитации % = 0,05, что нашло свое подтверждение методами регрессионного анализа;
4. Определены характеристики изменения физико-механических свойств смазочных и строительных материалов при использовании КАУМ в качестве наномодификатора, позволяющие утверждать об эффективности и перспективности более широкого применения синтезированного материала в производственной практике.
Значение для теории. Предложенная методика кавитационного синтеза и практического использования кавитационно-активированного углеродного материала (КАУМ) в качестве наномодификатора различных материалов и композиций, а также рекомендации по управлению технологией модифика¬ции их свойств создают теоретическую основу для проектирования и разра¬ботки новых энергоэффективных методов и оборудования различных произ¬водственных процессов.
Практическая значимость заключается в повышении эффективности (скорости, достоверности и точности) определения технологических пара¬метров и режимов получения и использования кавитационно-активирован- ного углеродного материала в качестве наномодификатора уже на стадии проектирования. Методы и подходы являются новыми в прикладной сфере и могут быть применены в других областях техники и технологии.
Использование полученных результатов. Результаты по увеличению прочности изделий из бетонов приняты к использованию в научной и прак¬тической деятельности ООО «Красноярский жилищно-коммунальный ком¬плекс» при ремонтно-восстановительных работах на водозаборных сооруже¬ниях подземных вод на территории Красноярского края и в ЗАО «Зеленый город» при утилизации серы.
Основные результаты диссертации включены в курс лекций «Планиро¬вание и техника эксперимента», «Технологии термомеханической обработки многокомпонентных сред», «Физико-химические основы теплотехнологий», «Гидрогазодинамика» для студентов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» направления подготовки «Теплоэнергетика», обучающихся по основным образовательным программам подготовки магистров и бакалавров. Методы исследования комплексно используются в научно-исследова¬тельской практике Политехнического института СФУ.
Достоверность полученных результатов базируется на основных по-ложениях физики, гидрогазодинамики и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования, а также удовлетворитель¬ным совпадением расчетных данных с экспериментальными результатами.
Личный вклад автора. Научные и практические результаты, положе¬ния, выносимые на защиту, разработаны и получены автором. Общая научная идея, направления и задачи исследований были сформулированы при участии научного руководителя. Модельные и натурные исследования проводились в лабораториях ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и ИФ СО РАН, сотрудникам которых автор выражает свою глубокую признательность за помощь в проведении данной работы. Особую благодарность за поддержку данной работы автор выражает канд. физ.-мат. наук, доценту Л. В. Кашкиной, совместные исследования с которой способствовали формированию изложен¬ных в диссертации положений.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследо¬ваний докладывались и обсуждались на: International summer school- conference «Advanced Problems in Mechanics - 2011» (Санкт-Петербург, 2011), International SYMKOM 2011 (Poland, Lodz, 2011), XV Междунар. НТК по компрессорной технике (Казань, 2011), III Всероссийской НПК Актуальные проблемы машиностроения (Самара, 2011), XV Всерос. симпозиуме с меж¬дунар. участием «Сложные системы в экстремальных условиях» (Красно¬ярск, 2010), Первом Международном научно-техническом конгрессе «Энер¬гетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010), XIV Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерал, конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Ре- шетнева «Решетневские чтения» (Красноярск, 2010), П-ой Ежегодной НПК Нанотехнологического общества России «Перспективы развития в России НБИК-технологий как основного научного направления прорыва к шестому технологическому укладу» (Москва, 2010), V Ставеровских чтениях: НТК с Междунар. участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение» (Красноярск, 2009), III Всерос. конферен¬ции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2009), XIV Всерос. научн. конф. студентов-физиков и молодых ученых (Уфа, 2008), Научн. конф. студ., аспирантов и молодых ученых физиков (Красноярск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научные работы, из них: пять статей в периодических изданиях по списку ВАК, восемь статей в других изданиях и за рубежом, одиннадцать работ в трудах Международ¬ных и Всероссийских научно-технических конференций и конгрессов.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Установлены закономерности процессов формирования трубчатых углеродных структур и изменения свойств различных типов саж после кавитационной обработки и сформулирована феноменологическая модель образования новых наноструктурированных углеродных материалов, в состав которых входят гидратированные сажевые глобулы и гидратированный фуллерен. В ходе экспериментальных исследований получены стабильные во времени взвеси, содержащие углеродные частицы. Кавитационная технология способствует процессам агрегации углеродных частиц в виде углеродных цепочек и является методом получения углеродных структур, подобных многослойным нанотрубкам;
2. Усовершенствован метод кавитационного синтеза нового углеродного материала фуллероидного типа из водной суспензии древесной сажи - кавитационно-активированного углеродного материала. Определены зависимости влияния режимных параметров кавитационной обработки (скорости и времени обработки, числа кавитации) на физико-химические свойства КАУМ, обеспечивающие максимальную эффективность его получения;
3. Выявлены изменения физико-химических свойств воды (водородный показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал, кислородосодержание и др.) и ее роль в кавитационном синтезе КАУМ; установлена рациональная продолжительность кавитационной обработки воды, которая составляет 30-90 с при числах кавитации % — 0,05, что нашло свое подтверждение методами регрессионного анализа;
4. Результаты анализа физико-химических свойств КАУМ показали, что он может использоваться в качестве наномодификатора в различных производственных процессах и позволяют утверждать об эффективности и
но
перспективности более широкого применения синтезированного материала в производственной практике;
5. Установлены характеристики изменения физико-механических свойств смазочных и строительных материалов при использовании КАУМ в качестве наномодификатора. Добавление водной суспензии КАУМ при концентрациях 0,044% по массе в состав цементного камня приводит к возрастанию микротвердости полученных образов в сравнении с контрольным образцом в 1,7 раза. Микротвердость серобетона увеличивается более чем на 40 %. При использовании КАУМ в малых дозах концентрации износ трущихся стальных поверхностей уменьшается практически в 2 раза.