CC BY
138
Ryndin Eugine Adalbertovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)311-584.
Pristupchik Nikita Konstantinovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)311-584.
УДК 001.89: 539.2 (621.382.132)
O.A. Агеев, ЮЛ. Сюрик, B.C. Климин, А.А. Федотов ПОЛУЧЕНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ,
НАНОСТРУКТУРАМИ, НА ОСНОВЕ НАНОФАБ НТК-9
Целью работы является отработка методик изготовления нанокомпо-зитных полимерных материалов, модифицированных углеродными наноструктурами, для создания структур микро- и наносистемной техники и солнечных элементов на основе использования многофункционального кластерного сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.
Нанотехнологии; полимерные нанокомпозиты; углеродные нанотрубки; солнечные элементы; наносистемная техника.
О.А. Ageev, Yu.V. Syurik, V.S. Klimin, A.A. Fedotov
PRODUCTION OF NANOCOMPOUND POLYMERIC MATERIALS BASED ON MULTIFUNCTIONAL MODULAR NANOTECHNOLOGYCAL PLATFORM NANOFAB NTK-9
The work’s idea is a development ofproduction methods of nanocompound polymeric materials, modified by carbon nanostructures, for manufacturing of micro-and nanosystem technique’s structures and solar elements based on high-vacuum multifunctional modular nanotechnologycalplatform NANOFAB NTK-9.
Nanotechnology; polymeric nanocompound; carbon nanotubes; solar cell; nanosystem technique.
Полимерные нанокомпозиты (НКПМ) - материалы, состоящие из двух или более различных фаз, одной из которых является полимерная основа, а другой наноразмерные частицы, создаваемые в целях получения специальных свойств (магнитных, оптических, диэлектрических, радиопоглощающих, по-
вышения прочности и др.). Главным преимуществом НКПМ является возможность получения материалов в широком диапазоне физических свойств [1].
Актуальность тематики создания новых полимерных нанокомпозитов определяет интенсивное использование полимерных композитных материалов и постоянное расширение области их применения. Полимерные композиционные материалы применяются для производства космической и авиационной техники, транспортных средств, изделий бытового и спортивного назначений, в горной промышленности и гражданском строительстве, а также в микрона, , , различных мембранных и мостиковых структур. Пленки НМПМ используются в качестве элементов солнечных батарей [3].
Разрабатываемые НКПМ отличаются друг от друга типом полимерного материала, используемого в качестве матрицы, характеристиками, степенью очистки и количеством вводимых частиц, а также характером исследования .
В качестве полимерной матрицы используются эпоксидные смолы, неф, , , эластомер на основе нематического жидкого кристалла, полиуретал/диакрил, полиметилметакрилат, поливиналовый спирт, полиимид, полипиррол, поликарбонаты различного сорта, полидиметилсилоксан и др.
Перспективным является использование полиимида (ПИ) в силу его термостабильности, радиационной устойчивости, эластичности, механической прочности и простоте нанесения. Структура ПИ волокон высоко ориентиро-, , .
В качестве наполнителя используются наночастицы металлов, полимеров, фуллерены, астралены, а также углеродные нанотрубки(УНТ) [2].
УНТ представляют собой тончайшие полые цилиндры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микромет-.
свойствами, а также электронными свойствами, определяющимися их геометрией. Модуль Юнга УНТ по расчетным данным равен 0,81±0,41 ТПа, что сопоставимо с модулем Юнга для графита в направлении, параллельном гекса-. -щих волокон на наноуровне сопоставимо с использованием углеродных волокон в композитах в микромасштабе [2].
Углеродные нанотрубки формируются в результате высокотемпературных химических реакций углеродсодержащих материалов. Условия, способствующие этим реакциям, разнообразны достигаются различными методами (электродуговое распыление графита, метод лазерного испарения графита, химическое осаждение из газовой фазы) [4].
Наиболее совершенным методом получения массивов вертикальноориентированных УНТ является метод плазменного химического осаждения ( ). -можность контролируемого роста УНТ за счет действия электрического поля, возникающего в области плазмы. При этом возможно получение массивов вертикально-ориентированных УНТ. Процесс осуществляется при температу-
рах (600-700) 0С, что позволяет использовать для роста УНТ подложки из различных материалов.
УНТ образуются на предварительно подготовленных поверхностях с ка.
характеристик каталитических центров (КЦ) (р^мер, химический и фазовый , ).
индивидуальные З^металлы - Fe, Ni, Co и их бинарные смеси [4].
Важными параметрами в создании НКПМ является адгезия между наночастицами и полимерной матрицей, без наличия которой не может быть достигнут значительный эффект усиления и дисперсия УНТ в полимере, определяющие качество композита. Известно, что УНТ имеют свойство соединяться в пучки, снижая механическую прочность НКПМ [2]. Таким образом, для получения хорошего упрочнения, необходимо обеспечить разделение пучков на отдельные УНТ и адгезию отдельных УНТ к матрице.
Эффективным способом улучшения межповерхностного связывания и дисперсии является модификация поверхности УНТ, которая может проводиться как химическими (обработка композитов ПАВ и химическая функцио-
), ( -теле, полимеризация мономеров in situ в присутствии УНТ, облучение, активация в плазме, фотонная стимуляция) методами [1,2].
Разрабатываемые технологические процессы изготовления нанокомпозитов на основе УНТ направлены на решение вышеуказанных проблем повышения адгезии УНТ с матрицей, дисперсии УНТ, а также удешевление техноло-. , -ные технологические операции. К нестрандратным можно отнести операции .
Исследования и отработка режимов формирования массивов УНТ проводились на специализированном модуле ГФПХО для выращивания УНТ, входящем в состав кластера групповых технологий Нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (производство ЗАО "Нанотехнология МДТ", . ). -вов УНТ включает два этапа. На первом этапе происходит образование ката, - .
Технологический процесс формирования наноразмерных КЦ на основе металлов переходных групп (Ni, Cr) осуществлялся следующим образом. На первом этапе формировались пленки катализатора (Ni, Cr) методом вакуумно.
пленкой катализатора с заданными параметрами температуры и времени (табл.1) при подаче в камеру Ar и малого объема NH3. Ar использовался для предварительной продувки камеры, вытеснения воздуха.
Морфология поверхности полученных образцов исследовалась на зондо-вой нанолаборатории NTEGRA Vita (производство ЗАО "Нанотехнология МДТ", г. Зеленоград). На рис. 1 и 2 представлены 3D СЗМ-сканы поверхностей КЦ Ni при нагревании подложки до температур 650 0С и 850 0С. При увеличении температуры нагрева подложки с 650 0С до 850 0С размер каталитических центров уменьшается 0,259 ± 0,022 мкм до 0.106 ± 0,016 мкм. Средняя
шероховатость поверхности равна 1,5 24,47 нм соответственно (рис. 1 и 2).
Рис. 1. 3Б СЗМ - скан 3x3 мкм каталитические центры N1 при нагреве подложки до 650 °С
нм и 2,61 нм, перепад высот 14,35 нм
Рис. 2. 3Б СЗМ - скан 3x3 мкм каталитические центры N1 при нагреве подложки до 850 °С
На третьей стадии производится активация КЦ - процесс, в результате которого на обрабатываемой поверхности создаются каталитически активные центры в виде металлических частиц. Процесс длится ~1мин, при воздействии КН3 в присутствии плазмы. КН3 необходим для формирования коагулированных частиц заданного диаметра УНТ. Активные КЦ создаются на этапе нагрева и уменьшаются в диаметре при химической реакции с КН3.
На этапе осаждения УНТ происходит подача углеродсодержащего газа С2Н2 и «контролирующего» газа КН3.
Экспериментальные результаты технологических процессов формирования каталитических центров и УНТ внесены в таблицу 1 и представлены на рисунках 3-5. Сравнение результатов процессов 1 и 3 (рис. 3 и 5) показало, что при повышении давления в камере ГФХО растет упорядоченность получаемых массивов УНТ при диаметре, равном 30-50нм, УНТ для обоих процессов.
1
,
№ про- цесса Стадия т, 0С г, мин КН3, см3/мин С2Н2, см3/мин Аг, см3/мин Р, торр КЦ
1 Нагрев 700 20 15 40 3,5 N1
Активация 700 1 210 3,5
Рост 700 20 210 70 3,5
2 Нагрев 700 20 15 40 4,5 Сг
Активация 700 1 210 4,5
Рост 700 20 210 70 4,5
3 Нагрев 700 20 15 40 4,5 N1
Активация 700 1 210 4,5
Рост 700 20 210 70 4,5
Рис. 3. РЭМ-изображение УНТ, выращенного на КЦ N1 при параметрах
1
Рис. 4. РЭМ-изображение.массива УНТ, выращенного на КЦ Сг, при параметрах процесса 2
Рис. 5. РЭМ-изображение.массива УНТ, выращенного на каталитических центрах N1 при параметрах процесса 3
Изменение технологических режимов модуля ГФПХО Уровня мощности плазмы, напряженности электрического поля, температуры, объема С2Н2 и КН3, длительности процесса и давления в реакторе) позволяет получать УНТ , , , , -- .
,
нанокомпозитных материалов в широком диапазоне физико-механических, электрических и оптических свойств для широкого применения в технике, в . . .
Разработанный технологический процесс [5] включает растворение ПИ в растворителе при температуре 90 0С, обработку ультразвуком (УЗ) находящихся в растворителе УНТ, смешивание растворенного ПИ с раствором УНТ и обработку УЗ полученного раствора в течение времени, достаточного для распределения УНТ по всей матрице ПИ, нанесение композита на подложку и
.
термообработку; и дает возможность получения пленки НКМП, содержащую диспергированные в объеме пленки УНТ.
Таким образом, модуль ГФПХО автоматизированной платформы кластерного типа НАНОФАБ НТК-9 является мощным инструментом разработки перспективных процессов нанотехнологии, изготовления и исследования массивов УНТ для создания нанокомпозитных полимерных материалов. Разработаны и экспериментально исследованы технологии выращивания ориентированных массивов УНТ на различных каталитических центрах; проведен ана-, ; технологический процесс изготовления НКМП на основе УНТ. Технология получения массивов УНТ и НКПМ на их основе являются предметом исследования и требуют дальнейшей проработки.
Работа выполняется в рамках проведения НИР по ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России“ на 2009-2013 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Головин ЮЛ. Введение в нанотехнику / Ю.И. Головин - М.: Машиностроение, 2007. - 496 с.
2. Shaffer M.S.P., Sandler J.K.W. Carbon Nanotube/Nanofibre Polymer Composites / M.S.P. Shaffer, J.K.W. Sandler// Appl. Phys. Lett. - 2001. № 1. - P. 17-44.
3. Wong W.-Y., Wang X.-Z.; He Z. et al. Metallated conjugated polymers as a new avenue towards high-efficiency polymer solar cells/ W. Wong et al// Nat. Mater. - 2007. - № 6. - P. 521-527.
4. . ., . . -
волокон / П.В.Фурсиков, Б.П.Тарасов // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. - 2005. - № 1. - C. 24-40.
5. Заявка на патент РФ № 2009113378, 09.04.2009.
6. . ., . . / -
нотрубки // Заявка на патент РФ № 2009113378.
Агеев Олег Алексеевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 8(8634)371-611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры.
.
Климин Виктор Сергеевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, . , . , 44.
Тел.: 8(8634)371-611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры.
.
Сюрик Юлия Витальевна
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 8(8634)371-611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры.
.
Федотов Александр Александрович
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, . , . , 44.
Тел.: 8(8634)371-611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры.
.
Ageev Oleg Alekseevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-611.
Department of Micro- and Nanoelectronics.
Head of department.
Klimin Victor Sergeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-611.
Department of Micro- and Nanoelectronics.
Magistran.
Syurik Yuliya Vitalievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-611.
Department of Micro- and Nanoelectronics.
Aspirant.
Fedotov Alexandr Aleksandrovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
