Нанокомпозитные материалы

Нанокомпозитные материалы

В настоящее время наблюдается заметное оживление в области изучения физики и свойств материалов, и это вызвано отнюдь не созданием кремниевых чипов. Многочисленные университеты учредили центры изучения нанотехнологий, многие из которых финансируются промышленными предприятиями. В свою очередь, промышленность в качестве плодов академических исследований получает возможность производить продукцию, содержащую созданные наноматериалы. Во всем мире частный бизнес и правительства инвестируют миллиарды долларов, стремясь освоить мир сверхмалых масштабов, который характеризуется размерами частиц вещества менее 100 нанометров (нм).

Они выходят из лабораторий и появляются в реальном мире. Цены снижаются, а эффективность возрастает в самых различных областях, от автомобильной до сельскохозяйственной; они используются при обработке материалов и в производстве электрических кабелей, смесей из наноглин…

Что же за прекрасные и незаменимые материалы и «С чем же их едят»? Это небольшое исследование и является целью моего реферата.

Однако при наличии цели была поставлена следующая задача: с помощью постановки некоторых логических вопросов «докопаться» до сути и непосредственно доступно разъяснить сущность заинтересовавшей меня темы.

Определение, понятие

Знакомство с этими структурными единицами начнём с непосредственного изложения понятия о них.

Нанокомпозиты можно определить как многофазные твердые материалы, где хотя бы одна из фаз имеет средний размер кристаллитов (зерен) в нанодиапазоне (до 100 нм), или структуры, имеющие повторяющиеся наноразмерные промежутки между различными фазами. Эти структуры составляют композит.

Виды нанокомпозитных материалов.

Тогда логичен вопрос, имеют ли все нанокомпозиты одинаковые признаки или их можно разделить на более мелкие классы с целью приобретения новых знаний о них? И, собственно, по какому признаку происходит это деление, если оно имеет место быть?

Оказалось, что в зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на три категории.

· Нанокомпозиты на основе керамической матрицы можно определить как керамический материал, получаемый спеканием глин или порошков неорганических веществ, размеры кристаллитов которых имеют размеры менее 100 нм. Отдельные образцы нанокерамики — прочной, хорошо проводящей тепло и стойкой к резкому перепаду температур можно уже сейчас увидеть на нагреваемой поверхности домашней электроплиты. В дальнейшем можно ожидать широкого применения подобных систем в различных технических системах.

· Слоистые нанокомпозиты. Их тоже создают на основе керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит или вермикулит, которые встречаются, например, в глинах.

· В нанокомпозитах на основе металлической матрицы, так называемым усиливающим материалом (нанокомпонентом) часто служат углеродные нанотрубки, повышающие прочность и электрическую проводимость.

· Полимерные нанокомпозиты содержат полимерную матрицу с распределенными по ней наночастицами или нанонаполнителями, которые могут иметь сферическую, плоскую или волокнистую структуру.

· Нанопористые материалы можно рассматривать как нанокомпозитные, в которых поры играют роль второй фазы, случайно или закономерно распределенной в матрице. Однако есть несколько физических причин для того, чтобы их выделить в отдельный класс материалов. Наличие большого числа мелких пор или каналов (их поперечный размер может колебаться от 0,3…0,4 нм до единиц микрометров) придает нанопористым материалам ряд особых физических свойств.

Но с какой целью мы вообще заинтересованы в развитии данных структур? Скорее всего, непосредственно для улучшения каких-то свойств. С этой стороны дела нам необходимо рассмотреть их.

Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические, каталитические свойства нанокомпозитов отличаются в зависимости от составляющих материалов. Ограничение по масштабу для этих эффектов оценивается следующим образом: менее 5 нм для каталитической активности, менее 20 нм для перехода магнитожесткого материала в мягкий, менее 50 нм для изменения индекса рефракции, и менее 100 нм для достижения суперпарамагнетизма, механической прочности или ограничения сдвигов в структуре композита.

Далее рассмотрим свойства отдельных классов нанокомпозитов с целью более подробного ответа на возникший вопрос.

Нанокомпозиты на основе полимеров и керамик сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления.

Слоистые нанокомпозиты. За счет высокого аспектного отношения этих наполнителей можно повысить механические свойства полимеров, их теплостойкость, огнестойкость, а также барьерные свойства без существенного ущерба для прозрачности, жесткости или же ударопрочности.

Свободная и доступная для взаимодействия с газами и жидкостями поверхность нанопористых материалов на основе может превышать таковую в сплошных твердых телах на порядки величин и быть больше 1000 м²/г. Это ведет к улучшению условий для гетерофазных химических и каталитических реакций, увеличению сорбционной емкости и т. п. При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.

Отличие от обычного композита

Хорошо, допустим, получили мы определённые улучшенные свойства материала, имея в его основании нанокомпозитную структуру. Однако возникает вопрос, почему же мы не можем добиться таких же свойств, имея обычный композит? И в чем вообще отличаются эти две структурные единицы кроме размеров?

Нанокомпозиты отличаются от обычных композитных материалов из-за исключительно высокого отношения площади поверхности к объему усиливающей фазы и / или исключительно высокого соотношения характерных размеров. Усиливающий материал может состоять из частиц (например, минералов), листов или волокон (например, нанотрубок). Область взаимодействия между матрицей и усиливающей фазой обычно на порядок больше, чем для обычных композитов. Таким образом, большая площадь поверхности усиливающей фазы означает, что относительно малое количество усилителя может оказать существенное влияние на макроскопические свойства композита.

Композиционные материалы различаются:

· типом матрицы (органическая, неорганическая),

· ее перерабатываемостью (термопласт, термосет),

· типом усиливающих элементов, их ориентацией (изотропная, одноосно ориентированная)

· непрерывностью,

· рядом свойств (к примеру, механические свойства композитов зависят от структуры и свойств межфазной границы),

· размерами фаз (микронные и субмикронные, что ведёт к снижению макроскопической дефектности).

Применение

Где же тогда применяются «волшебные» свойства, имеющие преимущества над свойствами стандартных композитов?

Нанокомпозиты благодаря своим впечатляющим физическим и химическим характеристикам способны принести пользу в самых разных сферах производства, электроники и даже медицины.

Например, исследователям, занимающимся нанокомпозитами, удалось изобрести метод создания анодов из кремниевых наносфер и углеродных наночастиц для литиевых элементов питания. Аноды, изготовленные из кремниево-углеродного нанокомпозита, намного более плотно прилегают к литиевому электролиту, уменьшая вследствие этого время зарядки или разрядки устройства.

Из нанокомпозитов, состоящих из целлюлозной основы и нанотрубок, можно производить токопроводящую бумагу. Если такую бумагу поместить в электролит, появится нечто вроде гибкой батареи. Также в электронной промышленности нанокомпозиты собираются применять для получения термоэлектрических материалов, демонстрирующих сочетание высокой электропроводности с низкой теплопроводностью.

Особое место в разработке нанокомпозитных материалов занимает графен. Недавно было установлено, что добавление графена к эпоксидным композитам приводит к увеличению жесткости и прочности материала по сравнению с композитами, содержащими углеродные нанотрубки. Графен лучше соединяется с эпоксидным полимером, более эффективно проникая в структуру композита. Нанокомпозиты на основе графена можно использовать при производстве компонентов авиатехники, которые должны оставаться одновременно легкими и устойчивыми к физическому воздействию.

Нанокомпозиты на основе полимерных матриц и нанотрубок способны изменять свою электрическую проводимость за счет смещения нанотрубок относительно друг друга под влиянием внешних факторов. Это свойство можно применить для создания микроскопических сенсоров, определяющих интенсивность механического воздействия за сверхкороткие промежутки времени.

Ученые также надеются, что нанокомпозиты помогут ускорить восстановление структуры поврежденных костей, если вдоль них установить направляющие рост и регенерацию тканей костей шарниры, сделанные из полимерного нанокомпозита, содержащего нанотрубки. А в 2012 другая группа исследователей предложила использовать нанокомпозиты в стоматологии для восстановления зубной эмали. Есть уверенность и в том, что если соединить магнитные частицы с флуоресцирующими частицами, появится возможность получить материал, которому присущи оба эффекта. За счет магнитных качеств такого нанокомпозита можно быстрее и проще обнаружить опасные образования в организме, а во время оперативного вмешательства подсветка облегчит работу хирургам.

Нанокомпозиты, содержащие частицы оксида циркония и обладающего отличными каталитическими свойствами, по мнению синтезировавших их ученых из Ирана, пригодятся не только в фармакологии и медицине, но и в процессе очистки объектов окружающей среды от органических загрязнителей, а также для их переработки в безопасные материалы («зеленая химия»).

В автомобильной промышленности из нанокомпозитных материалов можно изготавливать различные элементы интерьера, электронного оборудования, систем безопасности, шин, модулей двигателей автомобилей. Это позволит снизить общий вес конструкции, сократить выбросы углекислого газа, увеличив помимо того и эффективность самого двигателя, снизить износ деталей и частей корпуса, повысить прочность автомобильного кузова и надежность бортовой электроники.

Исследование применений показало, что наноструктурированные наполнители пластиков, такие как модифицированные монтмориллониты (наноглины), позволяют уменьшить массу и снизить затраты по сравнению с большим количеством традиционного наполнителя. К числу дополнительных преимуществ относятся: улучшение механических свойств, устойчивость к образованию царапин, улучшение барьерных свойств, огнестойкости и более простая обработка.

кремниевый нанокомпозит матрица материал

Заключение

На основе моего исследования напрашивается следующий вывод.

Интерес к нанокомпозитам и присущим им уникальным свойствам растет экспоненциально. При невероятно малых их размерах законы квантовой механики точнее описывают поведение отдельных наночастиц, замещая классическую ньютоновскую физику, в которой закономерности гравитации, оптики и ускорения представляют собой статистические соотношения. По мере уменьшения структур упорядоченных атомов до столь малых размеров, свойства материалов переходят в свойства атомов и молекул на поверхности частиц, которые часто поразительно отличаются от свойств относительно массивных частиц материалов.

Из всего вышеперечисленного следует, что мы не только раскрыли тему, но и определили её актуальность, растущую непрерывно в связи с ростом научно-технического прогресса.