1. Все из углерода
(современные углеродные
материалы)
Лекция доцента Химического
факультета МГУ Дроздова
А.А.

3. Графит
От древне-греческого γράφω — пишу
В 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

4. Материалы на основе графита

5. 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 уголь
1772 г., Антуан Лавуазье установил, что при сгорании алмаза
образуется диоксид углерода
1814 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. Майкл Фарадей
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 алмазами
1961 г., появились первые публикации фирмы "DuPont" о реализации идей
получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита

6. Лонсдейлит
Алмаз гексагональный
1966 г., первая публикация, Frondel,
C.; U.B. Marvin
Одновременно обнаружен в природе в
метеоритном каньоне
Кэтлин Лонсдейл
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

7. Карбены
Начало 90 гг. 20 века, депротонированием имидазолиевых солей были
получены устойчивые кристаллические карбены
Карбин
Линейный полимер углерода
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

8. Графен
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из
одиночного слоя атомов углерода, собранных в
гексагональную решётку
Его теоретическое исследование
началось задолго до получения
реальных образцов материала
1967 г., П. Воллес показал, что в зонной структуре
графена отсутствует запрещённая зона
2004 г., российскими и британскими учёными была опубликована работа в
журнале Science[2], где сообщалось о получении графена на подложке
окисленного кремния

9. Углеродные волокна
1880 г., Т. Эдисон, предложил использовать углеродные
волокна в качестве нитей накаливания
Середина 20 века, интерес к углеродным материалам
вернулся, композиты на основе углепластика, Т. Эдисон
секретные военные разработки
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
1967 г., карбон появился в свободной продаже в Англии
1981 г. Джон Барнард, впервые использовал карбоновое
волокно при создании
монокока F1 на McLaren MP4
Д. Барнард
2007 г. Специалисты из Кэмбриджского
университета смогли создать новый тип
углеродного волокна

10. Углеродные волокна
Томас Эдисон (1847 – 1931)

11. Пористые углеродные материалы
2000 м2/г

12. Фуллерены
XVIII в., Леонард Эйлер разработал
теорию многогранников - полиэдров
Леонард Эйлер
1895 г., Бакминстер Фуллер применял этот принцип
пристроительстве так называемых геодезических
куполов - зданий с купольной структурой
1973 г., ИНЭОС АН СССР, Е.Г. Гальперн и И.В. Станкевич, Архитектор Ричард
проведен квантово-химический расчет молекулы Бакминстер Фуллер
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

13. Нанотрубки
Нанотрубки – 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

14. 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

15. Первые РЭМ наблюдения углеродных
нанотрубок
Л.В.Радушкевич, В.М.Лушкинович. О
структуре углерода, образующегося
при термическом разложении окиси
углерода на железе ЖФХ (1952)
получены СНТ<10 нм
метод CVD
M. Endo PhD thesis
Orlean,France.1975
Oberlin, M. Endo, T.
Koyama. J. Cryst. Growth 32,
335 (1976).
__
100 нм
TEM наблюдение J.Iijima (Nature,1991) коаксиальных многостенных
нанотрубок с различными внутренними диаметрами и числом
оболочек с различной хиральностью

16. Углеродные нанотрубки
1952 г., Статья советских ученых Радушкевича и
Лукьяновича ,
сообщалось об электронно-микроскопическом
наблюдении волокон
с диаметром порядка 100 нм
1974-1975 г., Эндо и др., ряд работ с описанием
тонких трубок с диаметром менее 100 А
1986 г., М.Ю. Корнилов предсказал существование
однослойных углеродных нанотрубок
1991 г., Иджима, наблюдения структуры
многослойных нанотрубок
1992 г., Nature, опубликована статья, в которой
утверждалось,
что нанотрубки наблюдали в 1953 г.

17. 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

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

21. Иглы цементита в матрице из перлита

22. 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)
25

26. • 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

27. Внедрение в пряжу
наночастиц «гостя»
• 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 является Электросопротивление и
сверхпроводящим с критической SEM-изображение волокна
температурой 39К, характерной для MgB2@MСНТ2,1.
MgB2 Диаметр волокна 170 мкм.

28. Космические лифты
1895 г., К. Циолковский, высказал идею
Создания 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