Тема 1. Введение. - Томский политехнический университет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ:
Декан ХТФ
________________В.М. Погребенков
"_____" _________ 2009 г.
Основы процессов получения нанопорошков неорганических
материалов
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ОПД.АФ.03.01
основной образовательной программы послевузовского
профессионального образования по научной специальности
05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий
Всего аудиторных занятий
18
часов
Самостоятельная (внеаудиторная) работа
62
часов
Общая трудоемкость
80
часов
Томск 2009
ПРЕДИСЛОВИЕ
1.
Рабочая программа составлена на основании временных требований к основной
образовательной программе послевузовского профессионального образования по отрасли
05.00.00 Технические науки. Регистрационный номер 05.00.00 ВТ ППО-2002.
РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры ОХТ ХТФ
протокол № ________ от ___________2009 г.
2. Научный руководитель программы
аспирантской подготовки
А.В. Кравцов
3. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетами, выпускающими кафедрами
специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. выпускающей кафедры ОХТ
В.В. Коробочкин
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель дисциплины
Целью преподавания данной дисциплины является знакомство с основными
представлениями научных основ создания нанодисперсных материалов с заданными
свойствами, их состава и характеристик, способов получения. В курсе особое внимание
уделяется синтезу и характеристикам структуры неорганических материалов, в частности,
оксидов металлов.
Задачи изложения и изучения дисциплины
Задачей дисциплины является изучение способов получения нанопорошков оксидов
металлов и связи свойств материалов с их химическим составом и структурой. После
освоения курса аспиранты должны уметь правильно выбрать способ получения
материалов, функционирующих в заданных условиях, иметь представление о подходах
создания и получения материалов с определенным размером частиц, познакомиться с
методами исследования состава и пористой структуры, влиянии режимных параметров
синтеза на свойства и характеристики.
СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1. Введение.
Синтез нанодисперсных оксидов металлов – одно из приоритетных направлений научнотехнического прогресса. Научные основы и перспективы разработки и использования
материалов с новыми свойствами.
Тема 2. Современные подходы к синтезу нанодисперсных материалов.
2.1. Преимущества использования материалов с качественно новыми эксплуатационными
свойствами в современной технике и технологии, в области гетерогенного катализа, при
изготовлении керамики специального назначения и сенсорных датчиков для мониторинга
окружающей среды.
2.2. Научные основы создания материалов с заданными свойствами. Фазовый состав и
свойства оксидов металлов. Пористая структура и свойства материалов. Проблемы
создания научных основ управления структурой и свойствами материалов.
2.3. Основные способы синтеза нанопорошков оксидов металлов.
Влияние режимных параметров на состав, структуру и свойства нанодисперсных оксидов
металлов. Роль прекурсоров на формирование заданных свойств синтезированных
материалов. Поверхностная энергия и ее влияние на неординарность свойств
нанопродуктов. Свободная энергия. Термодинамический аспект при синтезе
нанопорошков. Равновесные, неравновесные процессы.
Влияние температурной обработки на состав и пористую структуру продуктов синтеза.
Зависимости дисперсности материалов от механических и термических воздействий.
Дефекты структуры и их влияние на свойства наноразмерных материалов.
Тема 3. Окисление порошков металлов, их сульфидов или паров металлов кислородом.
Ограничения в выборе сырья для производства нанопорошков оксидов металлов.
Температурные условия получения, возможность образования паров металлов.
Тепломассообмен в полочных реакторах. Влияние степени измельчения исходных
материалов на дисперсность продуктов. Пористая структура порошков, полученных
данной группой методов. Особенности оборудования, используемого при термическом
окислении. Термодинамика фазовых переходов в системе твердое тело–жидкость.
(плавление) и жидкость–газ (испарение). Конструкции аппаратов. Улавливание
нанопорошков, фильтрация.
Тема 4. Термическое разложение гидроксидов металлов, полученных методом осаждения,
солей кислородсодержащих кислот – карбонатов, нитратов, сульфатов, а также хлоридов в
условиях газофазного и парофазного термолиза.
Кристаллизация из растворов. Зародышеобразование и рост кристаллов. Условия
получения гелей как основы для нанопорошков оксидов металлов. Составы осадителей,
время и порядок сливания растворов при осаждении. Влияние рН раствора на
дисперсность продуктов. Разделение суспензий, фильтрование, отстаивание,
центрифугирование. Гидродинамика потоков и суспензий. Условия устойчивости гелей и
коагуляция. Соосаждение и его использование для синтеза сложных оксидных систем.
Сушка и термообработка гидроксидов. Изменения фазового состава при термической
обработке. Экологические аспекты метода. Типы реакторов для процесса осаждения
гелей.
Тема 5. Плазменное оксидирование.
Влияние состава среды и энергетических параметров на формирование размеров,
химического состава и формы получаемых продуктов. Особенности синтеза
нанопорошков в условиях плазмы. Энергетические режимы процесса синтеза и их
влияние на технико-экономические
показатели готовых продуктов. Особенности
пористой структуры материалов, полученных данным методом. Оборудование для
плазмохимических процессов.
Тема 6. Электрохимическое окисление.
Условия образования нанопродуктов при электрохимическом синтезе с использованием
постоянного тока. Особенности электросинтеза оксидов металлов на переменном токе.
Влияние плотности тока, температуры, состава и концентрации электролита на скорость
процесса. Фазовый состав продуктов электролиза, полученных в неравновесных условиях.
Формирование пористой структуры и стадии, ответственные за этот показатель.
Возможность рафинирования продуктов от ряда примесей в условиях синтеза.
Гидродинамика потоков в электролизерах. Конструкции электролизеров.
Тема 7. Основные методы исследования нанодисперсных оксидов металлов.
7.1. Рентгенофазовый анализ. Данные по фазовому составу продуктов.
7.2. Дифференциально-термический анализ. Данные по температурной устойчивости,
тепловых эффектах химических и фазовых превращений. В дополнении к РФА – метод
исследования фазового состава.
7.3. Адсорбционные исследования пористой структуры нанопорошков. Изотермы
адсорбции. Удельная поверхность, пористость. Размер пор и распределение пор по
размерам. Способы упаковки структуры твердого тела. Структуры сложения и структуры
вычитания. Расчет размера частиц по значениям удельной поверхности продуктов.
7.4. Электронно-микроскопические исследования. Сканирующая ЭМ. Прямой метод
определения формы и размера частиц. Степень агрегирования частиц. Формирование
структуры пор, размер устьев пор. Влияние условий получения продуктов на габитус
кристаллов.
7.5. Другие методы исследований. Элементный анализ. Аналитическое определение
примесей. Вольтамперометрия. Определение электропроводности. Плотность и
прочностные характеристики.
ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
1. Изучение, конспектирование и реферирование научной литературы по проблемам
синтеза и анализа свойств нанопорошков оксидов металлов.
2. Систематизация, сравнение и анализ результатов, полученных различными
исследователями.
3. Составление библиографии по заданной теме.
4. Изучение методов исследований состава и характеристик продуктов.
Технология освоения программы:
Освоение лекционного курса, чтение и реферирование научной литературы, обсуждение
ключевых проблем дисциплины, выступление с докладами.
Организация самостоятельной работы:
Проверка качества усвоения знаний проводится как в устной форме: доклады, сообщения,
рефераты, так и в письменной форме: конспекты, библиографические списки по заданной
теме. Главным критерием текущей аттестации качества усвоения знаний является
проверка умений самостоятельно работать с первоисточниками и делать сравнительный
анализ данных, полученных различными методами синтеза оксидов металлов.
ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С. П. Ультрадисперсные металлические среды. –
М.: Атомиздат, 1977. – 264 с.
2. Гусев А. И., Ремпель А. А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. –
224 с.
3. Войтович Р.Ф., Головко Э. И. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов. –
Киев: Наукова думка, 1980. – 295 с.
4. Торхов Д. С., Барухин А. А., Чурагулов Б. Р., Румянцева М. Н., Максимов В. Д.
Нанокристаллические порошки SnO2, синтезированные гидротермальным методом,
для сенсоров // Неорганические материалы. – 2003. – Т. 39 – № 11. – С. 1342 – 1346.
5. Дзисько В. А., Карнаухов А. П., Тарасова Д. В. Физико-химические основы синтеза
окисных катализаторов. – Новосибирск: Наука, 1978. – 484 с.
6. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. – М.: Мир, 1970. –407 с.
7. Чалый В. П. Гидроокиси металлов. – Киев: Наукова думка, 1972. – 156 с.
8. Андриевский Р. А. Получение и свойства нанокристаллических тугоплавких
соединений // Успехи химии. –1994. – Т. 63. – № 5. – С. 431 – 448.
9. Лабунов В. А., Пархутин В. П. Окисление металлов и полупроводников в
низкотемпературной плазме // Обзоры по электронной технике. Сер.
Микроэлектроника. – 1978. – Вып. 1. – 70 с.
10. Фиошин М. Я. Успехи в области электросинтеза неорганических соединений. – М.:
Химия, 1974. – 216 с.
11. Шульгин Л. П. Электрохимические процессы на переменном токе. – Л.: Наука, 1974. –
71 с.