Transcript ВЪПРОС 32 - Нано Част 1

Нанотехнологии и
наноматериали в
транспортното
строителството – Част 1.
Предмет на нанотехнологиите. Нано при бетона и
стоманата. Електрохимична импедансна
спектроскопия.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
1
1. Предмет на нанотехнолгиите
Нанотехнологията е манипулиране на материята като
поне един от размерите е под 100 nm - 100 x 10-9 m.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
2
Key Enabling Technologies (KETs) –
Ключови технологии даващи
възможност за развитие в ЕС*
Инвестиции и технологии, които ще позволят на Европейските
индустрии да запазят конкурентоспособността си и да
извлекат изгода от нови пазари. Фокусът е върху 3 KETs:
• Nanotechnologies - нанотехнологии
• advanced materials – авангардни материали
• and advanced manufacturing and processing (production
technologies) – авангардни производствени технологии
* Извадка от програмата за наука и иновации на ЕС
Хоризонт 2020 за периода 2014 – 2020 г.
Нанотехнологиите – приоритетна област и в САЩ, Япония,
България и в УАСГ.
От по-голямо към по-малко: гледната
точка на материалознанието.
• Редица свойства на материалите се променят с
намаляването на размера на частиците. Например
значително увеличеното отношение повърхностна
площ – обем на тялото, което променя
механичните, термичните и каталитични свойства.
• Наноразмерните материали проявяват различни
свойства от макроскалата, което дава възможност за
уникални приложения. Например мътните материали
стават прозрачни (медта), стабилни материали стават
взривоопасни (алуминия), неразтворимите
материали стават разтворими (злато).
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
4
2. Нано при бетона
• Процесите при втвърдяване на бетона от гледна
точка на нанонауката.
• Модифициране на бетона с наночастици.
Логаритмична скала на намаляващите размери
на елементите при бетона.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
5
Предизвикателства пред „интелигентните“
строителни материали.
Интелигентните строителни материали
от ново поколение могат да бъдат
решаващи за по-мъдро използване на
природните ресурси, както и за
минимизиране промените на климата.
От цимента за строителството до
аерогелови съединения за изолации,
през последните няколко години се
наблюдават впечатляващи разработки по
отношение химически / функционални
модификации на нано-размерните
компоненти на инженерни материали,
които имат потенциал за пробив в
проектирането на устойчиви и
интелигентни съединения.
Главоблъсканицата е да се контролира и
да се проектира как тези модификации
нано-скалата влияят на поведението на
материала в микро-скалата по
отношение на механичните им и
преносни свойства.
Трансмисионна електронна микроскопия
(ТЕМ) на циментовия гел.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
8
Формиране и втвърдяване на циментови гелове
Може ли да се проектира структурата
на нано-ниво на циментовите пасти с
намалено въздействие върху
околната среда и по-добри механични
свойства? Бетонът е най-използвания
в света произведен материал, но
направата му също е отговорна за 58% от глобалното CO2 човешко
производство (парников газ). Найдобрата алтернатива за устойчиво
развитие на бетона в момента идва от
повишаването на механичните му
свойства и започва от проектирането
на химичния състав в нано- и микро
мащаб на структурата на циментовия
гел, основното "лепило„ на бетона.
Фундаментални въпроси за това как
химическата модификация може да
повлияе на механиката на гела са все
още отворени.
ТЕМ картина на CSH гелът.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
9
Роля на водата
в C-S-H гелът
Схема на наноразмерните
калциево силикатно хидратни
(C-S-H) частици в цимента, която
показва многото роли на
водата. Плътните червени
области са калциевия силикат,
розовите области показват
физически свързаната вода
между слоевете, за да се
формира твърдата C-S-H. Тъмно
синьото хало около C-S-H е
химично абсорбирана вода на
повърхността, а светло сините
области илюстрират водата
захваната в нанопорите.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
10
Основните области на наноинженеринг и нано-модификации на
циментови системи:
1. включване на нано-размерни сферични материали
(например, нано-SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3 и т.н.) или
нано-тръбички или влакна [(въглеродни нано-тръби
(CNT) и въглеродни нано-влакна (CNF)] и нано-глина в
циментови материали по време на смесване.
2. прилагане на нано-порест тънък филм върху
агрегатните повърхности преди бетона с цел
подобряване интерфейсната преходна зона в бетона.
3. нано-инженеринг на конкретно решение на порите и
контролирано освобождаване на химични примеси.
По-подробно – виж следващия слайд.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
12
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
13
Пример за нанонаука – Колоидна и интерфейсна
наука приложена към бетона
Илюстрация на ролята на различните интерфейси в
циментовите материали. Solid – твърда фаза, Liquid – течност,
Vapour – пари.
Цимент с
многостенни
въглеродни
нанотръбички
Сцепена повърхност на
цимента преди отделянето.
Виждат се нанотръбичките,
които служат като мостове
над цепнатината.
Изследванията показват, че
за да се подобрят
якостните характеристики
на цимента
нанотръбичките трябва да
се функционализират, така
че да се получи ковалентна
химическа връзка с
цимента.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
17
3.1. Електрохимична импедансна
спектроскопия (ЕИС)
Честотен анализатор
от Адванс Технолоджис
ЕООД – до 32 MHz.
Линейна
система
Принцип на работа на ЕИС
ЕИС на бетони с
различно съдържание
на цимент
С13 – богата смес
(циментова паста по обем
= 0,392)
С7 = 0,293
С5 = 0,286
С1 – бедна смес = 0,245
Преместването на точката
на арката към по-ниски
честоти се дължи на
увеличаващото се
съпротивление на обема
при обогатяване на
смесите.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
19
4. Нанотехнология и стомана
Необходимост от
нанотехнология при стоманата
• Умората на материала е съществен проблем, който може до
доведе до разрушаване на конструкцията при циклични
натоварвани като при мостове и високи кули.
• Това може да стане при натоварвания значително по-ниски от
натоварването на провлачване.
• Локалните места на натрупване на натоварванията водят до
появата на пукнатини. Добавянето на напр. медни наночастици
води до намаляване на повърхностната грапавост на стоманата и
следователно на цепнатините от умора.
• Напредъка в тази технология ще повиши сигурността, намалени
нужди от мониторинг и по-ефективно използване на материалите.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
21
Високоякостни стоманени кабели
• Изследванията на цементитната
фаза на стоманата и
усъвършенстването й към нано
размери води до по-яка
стомана.
• По-здравите кабели ще намалят
разходите и ще доведат до
намаляване времето за строеж.
• Екологичността се подобрява
тъй като по-яките кабели водят
до намален разход на
материал.
• Високите структури изискват
по-здрави връзки, което води
до необходимостта от поздрави болтове.
Високо якостни болтове
Добавянето на ванадиеви и
молибденови наночастици
подобрява микроструктурата
на стоманата и намалява
скъсването на болтовете.
Модифицирана
с железни нано
остриета
стоманена
арматура
Въпреки силната
химична връзка между
нано остриетата и
стоманата силата на
издърпване от бетона
намалява двойно поради
чупливостта на
остриетата.
Доц. Георги Иванов, кат. Физика, ХТФ, УАСГ
24
Експериментални методи - Атомносилов микроскоп (АСМ)
Снимка на главата на
Атомно силов микроскоп
(АСМ).
Принцип на работа на АСМ
Взаимодействие на острието с
повърхността. Доминиращите сили
на взаимодействие определят вида
микроскопия. При Атомно силовата
микроскопия (АСМ) се мерят Ван
дер Валсовите сили. Може да мери
във въздух, вода или вакуум.
Режими на работа на АСМ
Обща схема на АСМ
Тук се сканира острието, но е възможно да се сканира подложката
SPM-сканиране от близко разстояние с тънко острие
PID – Пропорционално Интегрално Диференциален регулатор
Видове АСМ
• Ван дер Валсови сили – Топография – Atomic Force
Microscopy (AFM)
• Сили на триене – латерални сили при движение на
острието – Friction Force Microscopy (FFM LFM
• Магнитни сили – Magnetic Force Microscopy (MFM)
• Електрични сили (капацитивни, проводимост и др.) –
Electrical Force Microscopy (EFM, SSurfacePotentialM,
SCapacitanceM)
• Тунелен ток – Сканираща тунелна микроскопия (STM)
• И още 15на метода – оптични, електрохимични,
ковалентни, еластични и др. взаимодействия
Динамична АСМ – повърхност
на аерогел
Използван в динамичен
режим с едновременното
измерване на
топографията и фазовия
контраст. Под 100 nm
грапавост на определени
участъци
възможност
за надеждно измерване на
механичните свойства.