Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор,
проректор по учебной работе
В.Г. Прокошев
_________________________
«_____»______________ 2013 г.
модуля МДК 02.04.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ХИМИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОСИСТЕМ
программы повышения квалификации
«Повышение энергетической эффективности.Внедрение энергосберегающих технологий»
Направление: 140100 «Теплоэнергетика». 140200 «Электроэнергетика».
270102 «Промышленное и гражданское стороительство»
профиль: «Энергосберегающие технологии в промышленности и социально-значимых
секторах экономики»
профилизация: «Производство энергоэффективных наномодифицированных
теплоизоляционных материалов на основе пеностекла и пеноалюмосиликатов»
I. Аннотация
В учебном материале модуля раскрываются понятия об общей характеристике
наноструктур, модели строения и формирования наночастиц, комбинация структурных
элементов наночастиц, уровне их иерархии, особенностях влияния наночастиц на
свойства формируемых изделий. Представлено влияние способов получения на
морфологию наноматериалов, особенности химических и физико-химических свойств
наноматериалов и наносистем. Раскрываются вопросы золь-гель способ синтеза
наночастиц, методы получения керамических наночастиц осаждением из раствора солей
прекурсора и термического синтеза нанокерамики из прекерамических полимерных
прекурсоров. При изучении курса закладываются основы и общие представление о
нанотехнологиях, которые при последующем обучении будут развиты при чтении курсов
специальных дисциплин. Для понимания фактического материала необходимо знание
основ неорганической и физической химии. Курс имеет целью сформировать основы
технологического мышления, раскрыть взаимосвязи между развитием химической науки
и технологии производства наноразмерных и наноструктурных материалов, подготовить
1
слушателей к активному самостоятельному изучению специальных дисциплин, развить в
них творческое отношение по освоению знаний технологии производства
наноматериалов.
Автор программы Христофоров Александр Иванович, доктор технических наук,
профессор, профессор кафедры «Химические технологии»
Цель междисциплинарного курса « Химия наноматериалов и наносистем» –
обучить слушателей теоретическим знаниям и навыкам, необходимым для решения задач
направления «Энергосберегающие технологии в промышленности и социально значимых
секторах экономики» по профилю подготовки «Производство энергоэффективных
наномодифицированных теплоизоляционных материалов на основе пеностекла и
пеноалюмосиликатов и других неорганических теплоизоляционных материалов. с
использованием нанотехнологий их производства. Для достижения поставленной цели
слушатели изучают: модели строения и формирования наночастиц, влияние способов
получения на морфологию наноматериалов, особенности химических и физикохимических свойств наноматериалов и наносистем. Раскрываются вопросы синтеза
наночастиц различными методами. Процесс изучения дисциплины направлен на
формирование следующих профессиональных компетенций:
проводить оценку общей характеристики наноструктур, моделей строения и
формирования наночастиц, комбинаций структурных элементов наночастиц,
особенности влияния наночастиц на свойства формируемых изделий, химических и
физико-химических свойств наноматериалов и наносистем. Овладеть способом золь-гель
синтеза наночастиц, методикой получения керамических наночастиц осаждением из
раствора солей прекурсора и термического синтеза нанокерамики из прекерамических
полимерных прекурсоров.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- общую характеристику наноструктур,
- модели строения и формирования наночастиц,
- комбинаци структурных элементов наночастиц и уровни их иерархии,
-особенности влияния наночастиц на свойства формируемых изделий.
Уметь:
- выбирать составы в системах растворитель- осадитель при формировании наночастиц
золь-гель способом;
- выбирать составы солей прекурсоров для синтеза нанокерамики заданного состава;
выбирать прекерамические полимерные прекурсоры для термического синтеза
нанокерамики
Владеть:
- методикой заль-гель синтеза наночастиц;
- методикой получения керамических наночастиц осаждением из раствора солей
прекурсора;
- методикой термического синтеза нанокерамики из прекерамических полимерных
прекурсоров.
II. Содержание
2.1 Тематика лекционного курса
2
Тема 1 Характеристика наноструктурированных материалов.
Вопросы: 1. Общая характеристика наноструктур. 2. Модели строения и
формирования наночастиц. 3. Комбинация структурных элементов наночастиц.
Тема 2 Структура наночастиц и наносистем.
Вопросы: 1. Уровни иерархии наноструктур. 2. Особенности влияния наночастиц на
свойства формируемых изделий. 3. Огнеупорная природа оксидов металлов. 4. Влияние
способов получения на морфологию наноматериалов.
Тема 3. Золь-гель синтез наночастиц
Вопросы: 1. Золь-гель способ синтеза наночастиц 2. Схема золь-гель способа 3. Схема
установки получения сферических частиц гелеобразного материала 4. Механизм
гидролиза алкоксидов металлов 5. Зависимость скорости гидролиза от различных
факторов. 6. Удаление растворителя и сушка
Тема 4
Метод реверсирования мицеллы
Вопросы: 1. Реверсивные мицеллы 2. Метод получения керамических наночастиц
осаждением из раствора солей прекурсора. 3. Химический синтез прекерамических
полимеров.
Тема5 Термический синтез из прекерамических полимерных
прекурсоров.
Вопросы: 1. Отжиг аморфных прекерамических порошков. 2. Схема установки получения
ультразерен лазерным способом. 3. Механохимический синтез 4. Структура
нанопорошков, полученных измельчением в планетарных мельницах с применением
катализатора измельчения 5. Контрольные вопросы
2.2 Тематика практических занятий
Тема 1 Характеристика наноструктурированных материалов.
Практическое занятие 1 Наноструктурные элементы
Вопросы: 1. Какие материалы называются наноматериалами? 2. Отличительные
особенности наноструктур.3. Физические причины, обуславливающие особенности
проявления
свойств наноструктур. 4. Факторы, обеспечивающие высокую химическую активность
наночастиц, кинетику их взаимодействия. 5. Примеры элементов структуры с
наноразмерами, обеспечивающие особенности свойств изделий. 6.Модели строения
наночастиц. Условия проявления кристаллической упаковки в рентгеноаморфных
наноструктурах. 7. Реальное содержание кристаллических граней наночастиц.8.
Движущая сила и условия процесса зарождения твердой фазы наночастицы.
Основные
необратимые процессы.
9. Способы стабилизации внешних возмущений и внутренних флуктуаций. 10.
Реализация гомогенного зародышеобразования наночастиц. 11. Особенности и условия
3
гетерогенного зародышеобразования. 12. Переход гомогенного зародышеобразования в
гетерогенное.
Тема 2 Структура наночастиц и наносистем.
Практическое занятие 2 . Морфология наночастиц
Вопросы: . 1. Последствия высокой неравновесности процесса образования новой твердой
фазы. 2. Условия сохранения наноструктуры в неравновесных процессах. 3. Методы
сохранения наночастиц, их структуры и размеров. 4. При каких размерах наночастиц
классические законы и законы квантовой химии не приемлемы? 5. Типы структур,
реализуемые в наносистемах.6. Структурно-неоднородные наночастицы с когерентными
границами раздела. 7. Причины многообразия структурных элементов наночастиц. 8.
Теоретические предпосылки структурной неоднородности наносостояния. 9. Важнейшее
следствие анализа полученных результатов изучения мор фологии структурных
элементов. 10. Особенности гетеровалентного изоморфизма. 11. На каких оксидах
проверялся процесс делокализации частиц в зависимости от их размера, обоснование
выбора оксидов?12.. Какие свойства оксидов для огнеупоров способствуют образованию
многих стабильных дефектных мест?
Тема 3. Золь-гель синтез наночастиц
Практическое занятие 3 Сущность метода золь-гель технологии.
Вопросы: 1. Механизм формирования геля. 2. Золь-гель технология производства
пористых сфер γ-Al2O3. 3. Схема получения нанопорошков оксидов металлов золь-гель
способом. 4. Схема получения золь-гель способом сферических частиц гелеобразного
материала. 5. Гидролиз алкоксидов металлов. Схема происходящих химических процессов. 6. Конденсация гидроксидов металлов, схема формирования пространственной гель-сетки. 7. Зависимость скорости гидролиза и конденсации от различных
факторов. 8. Время гелеобразования различных алкоксидов кремния. 9. Влияние
растворителя на размер наночастиц. 10. Структура молекул алкоксида металлов. 11.
Особенности переработки алкоксидов металлов, стойкость к воде. 12. Влияние кислот и
оснований на условия прохождения реакций алкоксидов металлов. 13. Удаление
растворителя, влияние критической температуры на структуру гелей.
Тема 4
Метод реверсирования мицеллы
Практическое занятие 4 Метод реверсирования мицеллы для синтеза
нанокристаллических керамических порошков.
Вопросы: 1. Понятие об аэрогелях, способ их получения. 2. Золь-гель способ получения
монооксидных порошков из органоме таллических прекурсоров. 3 Золь-гель способ:
преимущества и недостатки. 4 Схема инверсивной мицеллы. 5. Способы синтеза
наночастиц внутри мицеллы. 6. Какие ПАВ применяются для реализации способа
реверсирования
мицеллы? 7. Достоинства и недостатки метода реверсирования мицеллы. 8. Способ
получения керамических наночастиц методом осаждения. 9. Особенности получения
наноразмерных керамических частиц из карбидов, нитридов и боридов металлов.10.
Способ получения наноструктурированного нитрида алюминия.
Тема5 Термический синтез из прекерамических полимерных
прекурсоров.
Практическое занятие 4 Сущность и сфера применения химического синтеза
прекерамических полимеров.
4
Вопросы: 1. Особенности превращения органометаллического прекурсора в кера
мический материал, влияние свободного углерода.2. Поликарбоксиланы и полисилозаны,
применяемые для синтеза карбида и нитрида кремния. 3.Структурные химические
формулы. 4. Химический синтез нитрида кремния, особенности технологического
процесса, химические реакции. 5. Метод получения карбида и нитрида кремния
объединенным химическим и физическим синтезом.
III. Материально-технические условия реализации программы
Персональные
компьютеры,
мультимедийное
оборудование
(компьютеры,
проекторы, экраны, компьютерный класс), кинофильмы, презентации.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, составляет 100 %.
IV. Учебно-методическое обеспечение программы
Методические рекомендации и пособия по изучению курса
Принципиальные технологии обучения
1. Концентрированное обучение – глубокое изучение дисциплин за счет
объединения занятий в блоки.
2. Проблемное обучение – последовательное и целенаправленное выдвижение
перед обучающимися задач, разрешая которые обучаемые активно усваивают знания.
3. Слушатели осваивают теоретический материал по лекциям и закрепляют
теоретические знания при решении ситуационных задач из курса практических занятий
Содержание комплекта учебно-методических материалов
1. Учебный план программы повышения квалификации
2. Учебно-тематический план МДК 02.04
3. Рабочая программа МДК 02.04.
4. Лекционный курс МДК 02.04
5. Курс практических занятий МДК 02.04
6. Тесты к зачету
7. Учебные по пособия по нанокерамике : 1. А.И. Христофоров Нанокерамика.: Учебное
пособие: в 3 ч .Ч.1 /А.И. Христофоров, Э.П. Сысоев, И.А. Христофорова; Владим. гос. унт.- Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2005.- 76с.
2. А.И. Христофоров Нанокерамика: Учебное пособие: в 3 ч.:. Ч.2 /А.И. Христофоров,
Э.П. Сысоев, И.А. Христофорова; Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос. унта, 2006.- 40с.
3. А.И. Христофоров Нанокерамика в 3 ч. : Учебное пособие. Ч.3 /А.И. Христофоров, Э.П.
Сысоев, И.А. Христофорова. Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос. унта,2007.- 116с.
Контрольные вопросы
1. Какие материалы называются наноматериалами?
5
2. Отличительные особенности наноструктур.
3. Физические причины, обуславливающие особенности проявления
свойств наноструктур.
4. Факторы, обеспечивающие высокую химическую активность наночастиц,
кинетику их взаимодействия.
5. Примеры элементов структуры с наноразмерами, обеспечивающие
особенности свойств изделий.
6. Модели строения наночастиц. Условия проявления кристаллической
упаковки в рентгеноаморфных наноструктурах.
7. Реальное содержание кристаллических граней наночастиц.
8. Движущая сила и условия процесса зарождения твердой фазы наночастицы.
Основные необратимые процессы.
9. Способы стабилизации внешних возмущений и внутренних флуктуаций.
10. Реализация гомогенного зародышеобразования наночастиц.
11. Особенности и условия гетерогенного зародышеобразования. Переход
гомогенного зародышеобразования в гетерогенное.
12. Последствия высокой неравновесности процесса образования новой твердой фазы.
13. Условия сохранения наноструктуры в неравновесных процессах.
14. Методы сохранения наночастиц, их структуры и размеров.
15. При каких размерах наночастиц классические законы и законы квантовой химии не приемлемы?
16. Типы структур, реализуемые в наносистемах.
17. Структурно-неоднородные наночастицы с когерентными границами раздела.
18. Причины многообразия структурных элементов наночастиц.
19. Теоретические предпосылки структурной неоднородности наносостояния.
20. Важнейшее следствие анализа полученных результатов изучения морфологии структурных элементов.
21. Особенности гетеровалентного изоморфизма.
22. На каких оксидах проверялся процесс делокализации частиц в зависимости от их размера, обоснование выбора оксидов?
23. Какие свойства оксидов для огнеупоров способствуют образованию
многих стабильных дефектных мест?
24. Сущность метода золь-гель технологии.
25. Механизм формирования геля.
26. Золь-гель технология производства пористых сфер γ-Al2O3.
27. Схема получения нанопорошков оксидов металлов золь-гель способом.
28. Схема получения золь-гель способом сферических частиц гелеобразного материала.
29. Гидролиз алкоксидов металлов. Схема происходящих химических процессов.
30. Конденсация гидроксидов металлов, схема формирования пространственной гель-сетки.
31. Зависимость скорости гидролиза и конденсации от различных факторов.
32. Время гелеобразования различных алкоксидов кремния.
33. Влияние растворителя на размер наночастиц.
34. Структура молекул алкоксида металлов.
35. Особенности переработки алкоксидов металлов, стойкость к воде.
36. Влияние кислот и оснований на условия прохождения реакций алкоксидов металлов.
37. Удаление растворителя, влияние критической температуры на структуру гелей.
38. Понятие об аэрогелях, способ их получения.
6
38. Золь-гель способ получения монооксидных порошков из органометаллических прекурсоров.
39. Золь-гель способ: преимущества и недостатки.
40. Метод реверсирования мицеллы для синтеза нанокристаллических
керамических порошков.
41. Схема инверсивной мицеллы.
42. Способы синтеза наночастиц внутри мицеллы.
43. Какие ПАВ применяются для реализации способа реверсирования
мицеллы?
44. Достоинства и недостатки метода реверсирования мицеллы.
45. Способ получения керамических наночастиц методом осаждения.
46. Особенности получения наноразмерных керамических частиц из карбидов, нитридов и боридов металлов.
47. Способ получения наноструктурированного нитрида алюминия.
48. Сущность и сфера применения химического синтеза прекерамических
полимеров.
49. Особенности превращения органометаллического прекурсора в керамический материал, влияние свободного углерода.
50. Поликарбоксиланы и полисилозаны, применяемые для синтеза карбида
и нитрида кремния. Структурные химические формулы.
51. Химический синтез нитрида кремния, особенности технологического
процесса, химические реакции.
52. Метод получения карбида и нитрида кремния объединенным химическим и физическим синтезом.
Тесты к зачету МДК 02.04
ВОПРОС
1. Какие материалы называются наноматериалами?
2. Отличительные особенности наноструктур
3. Физические причины, обуславливающие особенности проявления
свойств наноструктур. Основные необратимые процессы.
4. Факторы, обеспечивающие высокую химическую активность
наночастиц, кинетику их взаимодействия
5. Примеры элементов структуры с наноразмерами, обеспечивающие
особенности свойств изделий
6. Модели строения наночастиц. Условия проявления
кристаллической
упаковки в рентгеноаморфных наноструктурах.
7. Реальное содержание кристаллических граней наночастиц.
8. Движущая сила и условия процесса зарождения твердой фазы
наночастицы.
9. Способы стабилизации внешних возмущений и внутренних
флуктуаций.
10. Реализация гомогенного зародышеобразования наночастиц.
11. Особенности и условия гетерогенного зародышеобразования.
Переход
гомогенного зародышеобразования в гетерогенное
12. Последствия высокой неравновесности процесса образования
новой твердой фазы
13. Условия сохранения наноструктуры в неравновесных процессах
14. Методы сохранения наночастиц, их структуры и размеров
Форма ответа
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
7
15. При каких размерах наночастиц классические законы и законы
квантовой химии не приемлемы?
16. Типы структур, реализуемые в наносистемах
17. Структурно-неоднородные наночастицы с когерентными
границами раздела
18. Причины многообразия структурных элементов наночастиц
19. Теоретические предпосылки структурной неоднородности
наносостояния
20. Важнейшее следствие анализа полученных результатов изучения
морфологии структурных элементов.
21. Особенности гетеровалентного изоморфизма
22. На каких оксидах проверялся процесс делокализации частиц в
зависимости от их размера, обоснование выбора оксидов?
23. Какие свойства оксидов для огнеупоров способствуют
образованию
многих стабильных дефектных мест?
24.Сущность метода золь-гель технологии.
25. Механизм формирования геля
26. Золь-гель технология производства пористых сфер γ-Al2O3.
27. Схема получения нанопорошков оксидов металлов золь-гель
способом
28. Схема получения золь-гель способом сферических частиц
гелеобразного материала.
29. Гидролиз алкоксидов металлов. Схема происходящих химических
процессов
30. Конденсация гидроксидов металлов, схема формирования
пространственной гель-сетки.
29. Зависимость скорости гидролиза и конденсации от различных
факторов.
30. Время гелеобразования различных алкоксидов кремния.
31. Влияние растворителя на размер наночастиц.
32. Структура молекул алкоксида металлов.
33. Особенности переработки алкоксидов металлов, стойкость к воде.
34. Влияние кислот и оснований на условия прохождения реакций
алкоксидов металлов.
35. Удаление растворителя, влияние критической температуры на
структуру гелей
36. Понятие об аэрогелях, способ их получения.
37. Золь-гель способ получения монооксидных порошков из
органометаллических прекурсоров.
38. Золь-гель способ: преимущества и недостатки
18. Метод реверсирования мицеллы для синтеза
нанокристаллических
керамических порошков.
39. Схема инверсивной мицеллы.
40. Способы синтеза наночастиц внутри мицеллы.
41. Какие ПАВ применяются для реализации способа реверсирования
мицеллы?
42. Достоинства и недостатки метода реверсирования мицеллы.
43. Способ получения керамических наночастиц методом осаждения.
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
8
44. Особенности получения наноразмерных керамических частиц из
карбидов, нитридов и боридов металлов.
45. Способ получения наноструктурированного нитрида алюминия.
46. Сущность и сфера применения химического синтеза
прекерамических
полимеров.
47. Особенности превращения органометаллического прекурсора в
кера
мический материал, влияние свободного углерода
48. Поликарбоксиланы и полисилозаны, применяемые для синтеза
карбида
и нитрида кремния. Структурные химические формулы.
49. Химический синтез нитрида кремния, особенности
технологического
процесса, химические реакции.
50. Метод получения карбида и нитрида кремния объединенным
химическим и физическим синтезом.
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Эссе
Литература
а) основная литература.
1. А.И. Христофоров Нанокерамика.: Учебное пособие: в 3 ч .Ч.1 /А.И. Христофоров, Э.П.
Сысоев, И.А. Христофорова; Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та,
2005.- 76с.
2. А.И. Христофоров Нанокерамика: Учебное пособие: в 3 ч.:. Ч.2 /А.И. Христофоров,
Э.П. Сысоев, И.А. Христофорова; Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос. унта, 2006.- 40с.
3. А.И. Христофоров Нанокерамика в 3 ч. : Учебное пособие. Ч.3 /А.И. Христофоров, Э.П.
Сысоев, И.А. Христофорова. Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос. унта,2007.- 116с.
4. Э.П. Сысоев Нанокерамические материалы в 2 ч. : Учебное пособие. Ч.1. Пленки,
покрытия , мембраны / Э.П. Сысоев. Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос.
ун-та, 2008.- 90 с.
5. Э.П. Сысоев Нанокерамические материалы в 2 ч. : Учебное пособие. Ч.2. Трубки,
стержни, проволока / Э.П. Сысоев. Владим. гос. ун-т.- Владимир: Изд-во Владим. гос. унта, 2009.- 86 с.
б) дополнительная литература
6. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии.- М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005, 416 с
7. Кабаяси Н. Введение в нанотехнологию / Н.Кобаяси. –Пер. с японск.-М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2005.- 134с.:ил.
8. Сергеев Г. Б. Нанохимия : учебное пособие / Г. Б. Сергеев. - 2-е изд. —М.: КДУ, 2007. 336 с:
9. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалов: Учебн. пособие для студ. высш.
учебн.заведений / Р.А. Андриевский , А.В. Рагуля.- М.: Издательский центр №Академия,
2005.- 192 с.
10. Морозов В.В., Сысоев Э.П. "Нанокерамические технологии в керамике" (Учебное
пособие), Часть 1 Владимир: ВлГУ, 2010. 288 с. Монография
11. Морозов В.В., Сысоев Э П «Нанотехнологии в керамике, Ч.2. Нанопленки,
нанопокрытия, нанотрубки. .Владимир: ВлГУ, 2011г. - 157 с. Монография
9
Программа «Повышение энергетической эффективности. Внедрение
энергосберегающих технологий» составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО
с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлениям: 140100 «Теплоэнергетика».
140200 «Электроэнергетика».270102 «Промышленное и гражданское стороительство»
профиль: «Энергосберегающие технологии в промышленности и социальнозначимых секторах экономики»
профилизация: «Производство энергоэффективных наномодифицированных
теплоизоляционных материалов на основе пеностекла и пеноалюмосиликатов»
Программу составил ________________________________А.И.Христофоров
Начальник УМУ ___________________________________ И.П. Шеин
Директор ИПКиПК _________________________________ С.И. Рощина
10