Современные технологии получения и особенности физико-механических и структурных свойств наноматериалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 
 

 
 

 
 
 
 
 

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ 
И ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ  

И СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ 

 

 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2019 

 

Авторы: С.В. Мелентьев, А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов, 

В.А. Литвинова, П.В. Космачев, О.Г. Волокитин 

 
УДК 539.211:539.27 
ББК 22.3я7 
 

Современные технологии получения и особенности 

физико-механических и структурных свойств наноматери-
алов [Текст] : учебное пособие / С.В. Мелентьев, А.А. Клопо-
тов, Ю.Ф. Иванов, В.А. Литвинова, П.В. Космачев, О.Г. Волокитин. – 
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2019. – 80 с. 

ISBN 978-5-93057-906-2 

 

В данном учебном пособии рассмотрены такие понятия, как «наноча-

стица» и «наноматериал», представлена информация о современных технологиях 
получения наночастиц и наноматериалов и основных направлениях современных 
нанотехнологий, а также приведены основные особенности физико-
механических свойств наноматериалов. 

Анализ и применение технологий получения и исследования наномате-

риалов, а также изучение их физико-механических свойств, является составной 
частью дисциплин «Наноматериалы и нанотехнологии», «Материаловедение», 
«Технология композиционных материалов» и предназначены для изучения 
студентами очной формы обучения. 

 

УДК 539.211:539.27
ББК 22.3я7

 

Рецензенты: 
Ю.А. Абзаев, докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры «Высшая 
математика» ТГАСУ; 
В.И. Верещагин, докт. техн. наук, профессор НОЦ им. Кижне-
ра НИ ТПУ. 

 

ISBN 978-5-93057-906-2
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2019

© Мелентьев С.В., Клопотов А.А.,

Иванов Ю.Ф., Литвинова В.А.,
Космачев П.В., Волокитин О.Г., 2019

С56

ВВЕДЕНИЕ 

Согласно установленным приоритетам научно-технологи-

ческого развития Российской Федерации, переход к новым конструкционным, 
электротехническим и прочим материалам закономерно 
предполагает постановку и решение актуальных задач 
по проектированию и исследованию наноматериалов. Развитие 
нанотехнологий стимулирует возникновение перспективных 
технических идей и решений, создавая эффективные системы 
жизнедеятельности человека. Наноматериалы используются во 
всех без исключения отраслях промышленности. Прорывные 
технологии в строительной, машиностроительной, энергетической 
и прочих отраслях неразрывно связаны с развитием нанотехнологий. 


Нанотехнологии подразумевают собой разработку и при-

менение материалов, систем и аппаратов со структурой нано-
метрового масштаба. Нанотехнологии занимаются созданием из 
таких нанообъектов более крупных структур, обладающих новой 
надмолекулярной организацией. Такие наноструктуры, построенные «
из первых принципов», с использованием атомно-
молекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты 
с новыми химическими и физическими свойствами, которые 
могут быть созданы искусственным путем. 

В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехноло-

гии и наноинженерии: нанонаука занимается фундаментальными 
исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нано-
метровом масштабе, нанотехнология и наноинженерия – поиском 
эффективных методов их получения и использования, 
соответственно. 

Первая глава является вводной и в ней рассмотрены такие 

понятия, как «наночастица» и «наноматериал». 

Во второй главе представлена обширная информация 

о современных технологиях получения наночастиц и наномате-

риалов и основных направлениях современных нанотехнологий, 
а также приведены основные особенности физико-механических 
свойств наноматериалов. 

Третья глава представляет собой изложение особенностей 

физико-механических и структурных свойств наноматериалов, 
полученных модифицированием поверхностных слоев высокоэнергетическими 
воздействиями 

В учебном пособии приведены контрольные вопросы за-

крепления материала и самопроверки. В Приложении содержится 
информация о терминах, используемых в нанотехнологии. 

 

1. НАНОМАТЕРИАЛ И НАНОЧАСТИЦА 

Наночастицы представляют собой мельчайшие, не более 

одной миллионной метра, структуры и при этом могут обладать 
хлопьевидной, игольчатой, сферической, гексагональной формами, 
иметь мелкокристаллическую или аморфную структуру. За 
счет того, что они состоят из 106 или еще меньшего количества 
атомов (как правило, такие материалы состоят из кристаллических 
зерен или являются монокристаллами), их свойства отличаются 
от свойств тех же атомов, связанных в объемном веществе. 

Классификация наночастиц, в представлении различных 

учѐных, представлена в табл. 1. Классификация наночастиц приведена 
в зависимости от диаметра и числа атомов. 

На рис. 1.1 представлены несколько терминологических 

подходов к понятию наноматериалов, из которых подход, связанный 
с геометрическими размерами структуры наноматериа-
лов, является самым простым и понятным. Отталкиваясь от геометрических 
размеров, считаем, что материалы с размером микроструктуры 
от 1 до 100 нм являются наноструктурными. 

 

 

 
Рис. 1.1. Терминологические подходы к понятию наноматериалов 

Согласно литературным данным [1], наноматериал – это 

дисперсный или массивный материал, содержащий структурные 
элементы (зѐрна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические 
размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 
100 нм. Такие геометрические размеры позволяют наномате-
риалам обладать качественно новыми свойствами. 

 

Таблица 1 

Классификации наночастиц 

У. Крейбиг

Область I
Область II
Область III
Область IV

Молекулярные 

кластеры

Кластеры

твердого тела
Микрокристаллы

Частицы

компактного

вещества

N ≤ 10
102 ≤ N ≤ 103
103 ≤ N ≤ 104
N> 105

Поверхность 

и объемы

неразличимы

Соотношение 
поверхность/

объем = 1

Соотношение по-

верхность/
объем < 1

Соотношение 
поверхность/
объем << 1

К. Клабунде

Химия
Наночастицы
Физика твердого тела

Атом
N = 10
N = 102 N = 103 N = 104
N = 106
Компактное 

вещество

Размер, нм
1
2
3
5
7
10
100

Н. Такео

Сверхмалые кластеры
Малые кластеры
Большие кластеры

2 <N ≤ 20
20 < N ≤ 500
500 < N ≤ 107

2R ≤ 1,1 нм
1,1 нм ≤ 2R ≤ 3,3 нм
3,3 нм ≤ 2R ≤ 100 нм

Поверхностный и
внутренний объемы 

неразделимы

0,9 ≥ N3/Nv ≥ 0,5
0,5 ≥ N3/Nv

Г.Б. Сергеев, В.Е. Боченков

Химия атомов
Нанохимия
Химия твердого тела
Число атомов в частице

Единичные атомы
10
102
103
104
106
Компактное вещество

Диаметр, нм
1
2 3 5 7
10
> 100

2. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ 

Основываясь на анализе существующих методов синтеза 

наночастиц, можно сделать вывод, что все они разделяются на 
две большие группы, имеющие свои достоинства и недостатки: 

1. В первую группу входят методы, которые позволяют 

получать и исследовать наночастицы. Однако использование 
данных методов затрудняет создание новых наноматериалов; 

2. Во вторую группу входят методы, которые позволяют 

разрабатывать наноматериалы на основе синтезированных на-
ночастиц. 

 
 
2.1. Газовый синтез 

Газовый синтез представляет собой перспективный метод 

получения наночастиц в результате испарения металла при контролируемой 
температуре в атмосфере инертного газа низкого 
давления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной 
поверхности [2]. 

Например, пары металла пропускают через ячейку с гели-

ем под давлением ~ 10001500 Па, затем выводят в вакуумную 
камеру (~ 105 Па), где масса кластера устанавливается по времени 
пролета определенного расстояния. 

На рис. 2.1 приведена схема получения высокодисперсных 

металлических порошков в левитационно-струйном генераторе. 

Таким способом получали кластеры сурьмы, висмута 

и свинца, содержащие 650, 270 и 400 атомов соответственно; 
температура газообразного гелия в случае паров Sb и Bi составляла 
80 К, a в случае паров Рb  280 К. Нанокристаллические 
порошки оксидов Al2O3, ZrO2, Y2О3 получали испарением оксидных 
мишеней в атмосфере гелия, магнетронным распылением 
циркония в смеси аргона и кислорода, контролируемым окислением 
нанокристаллов иттрия. 

Рис. 2.1. Схема получения высокодисперсных металлических порош-

ков в левитационно-струйном генераторе: 
1  испаритель; 2  капля; 3  индуктор; 4  аэрозоль; 5  холодильник; 
6  фильтр; 7  контейнер; 8  насос; 9  механизм подачи проволоки 
в масс-спектрометре 

 
 
2.2. Плазмохимический синтез 

Получение наночастиц плазмохимическим синтезом осу-

ществляется за счет увеличения скорости охлаждения потока 
плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы [3]. 
При этом уменьшается размер образующихся наночастиц от 10 
до 200 нм. 

При плазмохимическом синтезе используется низкотемпе-

ратурная (40008000 К) азотная, аммиачная, углеводородная, 
аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысо-

кочастотного разрядов; в качестве исходного сырья применяют 
элементы, их галогениды и другие соединения. 

 
 
2.3. Методы химической конденсации 

2.3.1. Плазмохимический метод 

Известные в настоящее время плазмохимические способы 

получения нанопорошков могут быть объединены в три метода 
исходя из агрегатного состояния исходного сырья, вводимого 
в плазму: 

1) переработка газообразных соединений; 
2) переработка капельно-жидкого сырья; 
3) переработка твердых частиц, взвешенных в потоке плазмы. 
Поскольку в плазме и жидкое, и твердое сырье переходит 

в газообразное состояние, то все эти три способа можно отнести 
к методам конденсации из газовой фазы (рис. 2.2). 

 

 

 

Рис. 2.2. Схематическое представление процессов гетерогенного заро-

дышеобразования при осаждении из газовой фазы. Реакции, идущие 
на поверхности, на которую происходит конденсация: 
1  взаимодействие с дефектами на поверхности подложки; 2, 3  поверхностная 
диффузия; 4  химическое связывание, зародышеобразование; 
5  объемная диффузия 

2.3.2. Переработка газообразных соединений в плазме 

Метод переработки газообразных соединений в низкотем-

пературной плазме состоит из следующих поочерѐдных процессов (
рис. 2.3): 

1) генерация плазмы; 
2) введение сырья в плазму; 
3) нагрев сырья; 
4) химическая реакция; 
5) образование и рост частиц. 
 

 

 
Рис. 2.3. Схема переработки газообразных соединений в плазме: 

I − зона смешения; II − зона химической реакции; III − зона зародышеобразования 
и роста частиц; IV − зона охлаждения; 1 − плазмотрон; 2 − 
реактор. Здесь и далее Q − отводимая теплота