Влияние атомов никеля и меди на свойства и структуру пиролизованного полиакрилонитрила

Для изменения характеристик материала очень часто в его структуру добавляют наночастицы. Наночастицы – это крошечные частицы размером в один нанометр, что эквивалентно одной миллиардной части метра. Благодаря небольшому размеру они обладают уникальными свойствами, отличающими их от объемных собратьев. Одной из основных областей, в которой наночастицы нашли применение, является материаловедение. Наночастицы могут быть включены в различные материалы для изменения их свойств и характеристик. Добавление наночастиц в материал может изменить его микроструктуру, что приведет к изменению физических, химических и механических свойств. Наночастицы могут быть добавлены к материалу различными способами, такими как смешивание, покрытие и осаждение. Свойства наночастиц сильно зависят от их размера, формы и площади поверхности. Например, добавление наночастиц небольшого размера может увеличить площадь поверхности материала, что приведет к увеличению его реакционной способности. Точно так же включение наночастиц с высоким соотношением сторон может улучшить механические свойства материала.

Влияние наночастиц на структуру материала во многом зависит от взаимодействия между наночастицами и окружающей матрицей. Когда наночастицы включаются в материал, они могут образовы- вать кластеры, агломераты или равномерно распределяться по всей матрице. Образование кластеров или агломератов может привести к изменению пористости и механических свойств материала. С другой стороны, однородная дисперсия наночастиц может усилить межфазную связь между наночастицами и матрицей, что приведет к улучшению механических и термических свойств. Включение наночастиц также может влиять на кристаллическую структуру материала. Например, добавление наночастиц может изменить скорость роста кристаллов, кристаллографическую ориентацию и параметры решетки. Изменения в кристаллической структуре могут привести к изменению электронных, оптических и магнитных свойств материала. Кроме того, добавление наночастиц также может привести к образованию новых фаз в материале, что приведет к изменению его физических и химических свойств. Наночастицы также могут влиять на термическую стабильность материала. Добавление наночастиц может увеличить теплопроводность и термическую стабильность материала, что приводит к улучшению рассеивания тепла и устойчивости к термическому разложению. Кроме того, введение наночастиц также может влиять на температуру плавления и поведение материала при фазовом переходе. Наночастицы также можно использовать для изменения свойств поверхности мате- риала. Добавление наночастиц к поверхности может изменить ее смачиваемость, поверхностную энергию и адгезионные свойства. Это может привести к улучшению коррозионной стойкости и биосовместимости материала.

Более детально рассмотрим влияние наночастиц на структуре полимера-пиролизованного полиакрилонитрила (ППАН). Начнем изучение влияния наночастиц на примере одного атома. В качестве исследуемых атомов выберем атом меди и никеля. Для построения композита, рассмотрим монослой полимера в центре которого содержится вакансионный дефект. В центр этого дефекта будем по- мещать исследуемые атомы металла. Вычисления проводились в рамках молекулярного кластера расчетной схемой PM6. Полная оптимизация энергии позволила определить геометрические особенности нанокомпозита, установить влияние примесного атома на значение запрещённой зоны, увидеть различие в плотности состояния. Выполненные расчеты показали, что внедрение атома металла в дефектную структуру полимера приводит к изменению ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны нанокомпозита уменьшается, также можно увидеть и изменения в ИК-спектре. Все рассчитанные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики нанокомпозита на основе пиролизованного по- лиакрилонитрила с атомами никеля и меди.

Геометрическая структура и ИК -спектр

Энергетические спектры и плотность состояния

Структура пиролизованного полиакрилонитрила с вакансией

Структура иролизованного полиакрилонитрила с атомом меди

Структура пиролизованного полиакрилонитрила с атомом никеля

Заключение: добавление наночастиц к материалу может значительно изменить его структуру и свойства. Влияние наночастиц на структуру материала сильно зависит от взаимодействия между наночастицами и окружающей матрицей. Введение наночастиц может привести к изменению микроструктуры, кристаллической структуры, термической стабильности и механических свойств материала. Использование наночасиц в материаловедении открыло новые возможности для разработки пе- редовых материалов с заданными свойствами. Потенциальные применения нано- частиц в материаловедении многочисленны. Например, добавление наночастиц к металлам может повысить их прочность и пластичность, что приведет к разработке легких и высокопрочных материалов для использования в аэрокосмической и авто- мобильной промышленности. Точно так же включение наночастиц в полимеры может улучшить их механические, термические и электрические свойства, что приведет к разработке передовых композитов для использования в электронной, медицинской и энергетической отраслях.