Продолжая научно-методическую деятельность по введению новых достижений науки в учебный процесс высших учебных заведений [1-7], мы подготовили учебно-методическое обеспечение специального курса «Физические основы новых композиционных материалов». Цель освоения содержания данного курса состоит в том, чтобы ознакомить студентов с физическими явлениями материального мира нано- и микромасштабов, лежащие в основе создания новых материалов и конструкций на их основе. Задачи освоения дисциплины состоят в изучении: 1) основополагающих законов и явлений и процессов, относящиеся к физике микро- и наномира материальных тел; 2) структуры и свойств наноструктур, входящих в состав макрообразцов, в том числе локализованных у поверхности твердых тел; 3) физической природы связи «физические свойства материал – технология производства изделий». Курс подготовлен на основании материала, отобранного из обзорных публикаций журнала «Успехи физических наук». Список использованных для этого обзорных статей можно найти в соответствующих разделах изданных нами ранее книг [4-7]. При этом сделан акцент на публикации последних примерно десяти – пятнадцати лет.
Спецкурс предназначен для студентов старших курсов высших технических учебных заведений, обучающихся по направлениям, готовящим инженерно-технических работников промышленных производств. Он может использоваться и для обучения по другим специальностям естественно-научного и технического направлений в тех вузах, где читаются курсы, связанные с физическими явлениями материального мира нано- и микромасштабов. Он может быть также полезен преподавателям, которые ведут занятия по соответствующим дисциплинам. Предполагается, что на изучение материала данного курса учебным планом должно быть предусмотрено до семидесяти часов общего времени (лекции, семинары, самостоятельная работа студентов).
2. Содержание спецкурса
2.1. Введение
Основные черты современного этапа развития физических представлений материального мира на уровне микро- и наномасштабов.
2.2. Физические свойства углеродных нанотрубок и материалов на их основе.
Фуллерены, формула Эйлера. Эндоэдральные соединения. Структура однослойных нанотрубок, индексы хиральности. Получение нанотрубок. Электронные свойства и автоэлектронная эмиссия многослойных нанотрубок. Упругие и электромеханические свойства нанотрубок. Материалы из нанотрубок, полимеры и композиты на их основе. Технологические применения углеродных нанотрубок. Физико-химические методы исследования основных параметров и характеристик углеродных нанотрубок.
2.3. Особенности электронного строения металлических нанокластеров
Кластеры, классификация кластеров, способы получения. Энергетические оболочки нанокластеров, размеры кластеров, правило Найта, магические кластеры, их энергетические спектры. Парная корреляция, кластерные пары, критическая температура спаривания. Металлические нанокластеры как строительные блоки при создании материалов специфической кристаллической структуры.
2.4. Структура и свойства нанокомпозитных покрытий.
Технологическое проявление размерных эффектов, концепция формирования нанокристаллических композитов. Структурные фазы нанокомпозитных покрытий, их физические свойства. Нанокомпозитные покрытия – новая генерация материалов; основные факторы, определяющие повышенную твердость нанокомпозитных покрытий, критические размеры нанокристаллитов. Классификация нанокомпозитных покрытий повышенной твердостью. Сверхтвердые нанокомпозиты. Перспективы применения нанокомпозитных покрытий.
2.5. Метаматериалы
Принципиальное отличие понятия «метаматериалы» от традиционных «естественных» материалов. Искусственные среды с непотенциальным характером электромагнитных взаимодействий. Феноменологическое описание метаматериалов, теория эффективной среды, формулы смешения. Материалы с отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемости.
Оптические метаматериалы. Волновая маскировка тел. Метод волнового обтекания. Основные положения метода. Уравнения Максвелла, их инвариантный характер при преобразовании координат. Теоретические основы трансформационной оптики – нового направления в учении о свете. Основные положения теории, необходимых для понимания ключевых принципов создания метаматериальных пространств на основе манипуляции световым потоком. Принцип Ферма. Метод масштабирования. Гиперлинза как устройство, позволяющее преодолевать дифракционный предел. Светопоглащающие устройства. Концентраторы-коллекторы световой энергии.
Акустические метаматериалы как композитные среды, создаваемые из акустически резонансных пространственно упорядоченных структурных элементов. Модельное описание магнитоакустических метаматериалов.
2.6. Новые магнитные материалы
Новые магнитные состояния в кристаллах, обменные взаимодействия гейзенбергского типа, индуцированный магнитный порядок, критическая точка перехода между структурами разной упорядоченности. Треугольные и сильнофрустрированные антиферромагнетики. Гигантский магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках. Фазовый переход, индуцированный магнитным полем, материалы на основе феррита висмута. Физические свойства манганитов. Спиновое расслоение, ферронное состояние. Транспортные свойства магнанитов, фазовое расслоение в легированных манганитах. Ферромагнетики с памятью формы. Управление свойствами материалов с помощью механических напряжений, электрических и магнитных полей. Мартенситные превращения и эффект памяти формы. Сплав Гейслера, упругая и магнитная подсистемы; механизм магнитодеформаций.
2.7. Новые аналитические методы исследования конденсированного состояния
Тепловидение – новый вид информационных технологий. Физические основы тепловидения; тепловизионная техника. Области применения тепловидения.
Портативные оптические биосенсоры для определения биологически активных и токсичных соединений. Принципы работы биосенсоров. Биодатчики на основе жидких кристаллов молекул ДНК.
Лазерное разделение изотопов на основе инфракрасной многофотонной диссоциации молекул. Лазерное разделение изотопов углерода.
Многомодовые акустические датчики и системы. Акустический анализатор жидкостей и тепловых процессов.
Нелинейная акустическая диагностика. Причины нелинейности акустических свойств конденсированных сред. Принципы нелинейной диагностики.
2.8. Перечень рекомендуемых практических занятий
1. Материалы из нанотрубок, полимеры и композиты на их основе.
2. Металлические нанокластеры как строительные блоки при создании специфической кристаллической структуры.
3. Сверхтвердые нанокомпозиты.
4. Материалы с отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостью.
5. Гигантский магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках
6. Сплав Гейслера, упругая и магнитная подсистемы.
7. Строение и основные свойства нанокристаллических материалов на основе замкнутых структур углерода.
8. Характеристические параметры идеальных однослойных и многослойных нанотрубок.
9. Сверхмитниатюрные электромеханические преобразователи на основе нанотрубок.
2.9. Темы рефератов
Кластеры – пятое состояние материи: характерные размеры кластерных образований, методы получения и исследования, практические применения.
Кластеры и фазовые переходы.
Фундаментальные свойства металлических нанокластеров.
Металлические нанокластеры – новое семейство высокотемпературных сверхпроводников: основные характеристики, механизм электронной проводимости на основе теории БКШ.
Принципы создания нанокомпозитов на основе системы Ti–Si–N.
Основные структурные и физические показатели нанокомпозитных покрытий повышенной прочности.
Перспективные направления использования нанокомпозитных покрытий и пленок.
Основные положения теории эффективных сред.
Материалы с отрицательным коэффициентом преломления.
Электромагнитная маскировка материальных тел методом волнового обтекания.
Обменные магнитные взаимодействия в кристаллах.
Геометрическая фрустрация обменного взаимодействия в кристаллах.
Магнитный порядок в кристаллах, индуцируемый примесями.
Сильнофрустрированные антиферромагнетики на основе гранецентрированной кубической решетки Браве.
Сегнетомагнетики.
Модель двойного обмена в манганитах.
Феррон как квазичастица обменных взаимодействий.
Обменные взаимодействия в трехмерных перовскитных манганитах.
Уникальные свойства ферромагнитного семейства сплавов 
Природа переориентации мартенситных состояний в сплаве Гейслера.
3. Заключение
В результате изучения дисциплины «Физические основы новых композиционных материалов» студенты должны приобрести следующие знания, умения и навыки, применимые в их последующем обучении и профессиональной деятельности:
знания
* основных закономерностей физических процессов, протекающих в материалах в условиях теплового на них воздействия;
* особенностей структуры и свойств нанообъектои и характер их влияние на прочность твердых кристаллических тел;
* ассортимент микро- и нанообъектов включения в матрицы из металлов и сплавов на их основе;
* основные характеристики искусственных сред с непотенциальным характером электромагнитных взаимодействий;
* закономерностей формирования магнитных материалов, а также материалов с памятью формы;
* мировых тенденций в развития физики конденсированного состояния, в том числе на уровне микро- и наномасштабов.
умения
* планировать использование новых материалов на стадии проектирования конкретного вида работ;
* подбирать материал для производства конкретных изделий с учетом мирового опыта подобного рода работ;
* планировать научные исследования на основе знаний о физических свойствах объектом микро- и наномасштабов в интересах производства с целью улучшения свойств существующих материалов, используемых в конкретных производствах производствах.
навыки
* использования основных законов физики явлений микро- и наномасштабов и принципов их использования в важнейших практических приложениях;
*работы с естественнонаучной литературой разного уровня (научно-популярные издания, периодические журналы), в том числе на иностранных языках.
Библиографическая ссылка
Воронов В.К., Подоплелов А.В. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА СПЕЦКУРСА «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НОВЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ» // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 9. – С. 111-114;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33243 (дата обращения: 03.12.2024).