НАНОКОМПОЗИТЫ

Дискретные наноматериалы, применяемые в производстве композитов

Нанотехнология — это область прикладной науки и техники, занимающаяся созданием, изучением свойств и применением наноматериалов, разработкой и применением устройств на базе наноматериалов, а также устройств, работающих в наноразмерном диапазоне. Наноматериалы — это материалы, содержащие структурные элементы, по крайней мере одно измерение которых не превышает 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. Несмотря на то что с определением границы между наноматериалами и остальными материалами в основном все согласились, надо иметь в виду, что определенная условность обозначенной границы в 100 нм существует.

Приставка «нано» произошла от греческого слова «нанос» (в переводе означает «гном») и в математике применялась для обозначения числа 10-9. Строго говоря, человечество обращалось с объектами наноразмер- ного уровня с древних времен. Взять хотя бы сажу, которая представляет собой наночастицы аморфного углерода и которую применяли для изготовления красок, чернил и др. В производстве цветного стекла также применяли наночастицы. Целенаправленное исследование наноматериалов началось после изобретения электронного микроскопа в 1931 г., однако слово «нанотехнологии» появилось в середине 70-х г. XX в.

Для обозначения наночастиц ранее применяли термин «ультра- дисперсные материалы», который применяется и в настоящее время. Интенсивное развитие нанонаука получила с середины 80-х гг. XX в.

Наноматериалы, так же как и обычные материалы, можно классифицировать по различным характеристикам, например так, как указано в табл. 7.1.

Объекты, описанные в пунктах 1 и 2 классификации по форме и размерам (см. табл. 7.1), называют дискретными наноматериалами.

Данная работа посвящена исследованию нанокомпозитов с металлической или полимерной матрицами.

Таблица 7.1

Классификация наноматериалов

Классификация по форме и размерам

1. В трех направлениях размеры менее 100 нм

Наночастицы, квантовые точки, макромолекулы типа фуллерснов и др.

2. В двух направлениях размеры менее 100 нм, однако третий размер остается на микроуровне

Нанотрубки, наностсржни и др.

3. В двух направлениях размеры менее 100 нм, а третий размер находится на макроуровне

Нановолокна и др.

4. В одном направлении размер менее 100 нм

Пленки, покрытия, многослойные структуры и др.

Классификация по фазовому составу

1. Однофазные твердые вещества

Кристаллические или аморфные наночастицы. нанослоистыс материалы и др.

2. Многофазные твердые вещества

Матричные нанокомпозиты, наночастицы с покрытиями и др.

3. Многофазные системы

Коллоидные растворы (золи), аэрогели и др.

Классификация по способу получения

1. Получение из газового состояния

Плазменные методы, конденсация, CVD. PVD и др.

2. Получение из жидкого состояния

«Золь-гель» метод, осаждение, гидротермические процессы и др.

3. Механические способы получения в твердом состоянии

Механическое легирование, пластическая деформация и др.

Создание новых материалов с заранее заданными свойствами — это основа развития науки и техники. Все отрасли современной экономики, в том числе сфера услуг, запрашивают новые материалы с такими свойствами, которые недостижимы в обычных металлах, сплавах, полимерах и т.п. Наноструктурные металлы и сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, повышенной прочностью при одновременно высокой пластичности, что дает возможность создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов. Кроме того, они могут приводить к появлению низкотемпературной или высокоскоростной сверхпластичности, что позволит разрабатывать новые эффективные процессы изготовления различных пространственных деталей и изделий особо сложной формы. Именно поэтому исследования в области разработки нанокомпозиционных материалов ведутся практически во всех мировых научных центрах.

Для производства композитов применяются практически все виды наночастиц, используемых как в качестве матрицы, так и в виде упрочняющих частиц.

Все способы получения нанообъектов условно можно разделить на два типа. Первый заключается в разделении большого объема материала на более мелкие, второй — в «собирании» или синтезе нанообъекта из атомов и молекул. К первому типу относят все механические способы (механическое легирование или механоактивация; различные методы применения взрывной энергии для измельчения; сюда же можно отнести способы получения частиц распылением расплава и др.), некоторые химические способы; получение наночастиц из природного сырья (так, глина содержит до 40—60% наночастиц). Второй тип является основным для получения наночастиц. Его условно можно разделить на несколько групп. Во-первых, это способы, связанные с переводом материала в газообразное состояние и синтезом наночастиц в процессе конденсации паров, например химическое и физическое осаждение из газовой фазы с применением плазмы, лазерной техники и др., электрический взрыв проволоки и др. Во-вторых, это химические способы с применением жидкостей, такие как золь-гель методы (золь-гель методом называют процесс образования геля через стадию золя, хотя нередко сюда же включают и образование порошковых дисперсий, химическое диспергирование и др.). В-третьих, это образование наноструктур при кратковременном сверхвысоком давлении, например детонационный синтез наноалмазов. В-четвертых, каталитический рост нанокристаллов из растворов, газов при температурах значительно ниже температуры плавления.

В качестве упрочняющих наночастиц часто используют углеродные материалы, которые занимают особое место в наномире вследствие их большого разнообразия. Углерод (С) — первый элемент IV группы Периодической системы элементов, атомный номер — 6, атомная масса 12,011.

Известны следующие аллотропные состояния углерода: графит, алмаз, аморфный углерод (уголь и сажа), карбин, фуллерены (рис. 7.1), углеродные нанотрубки. Эти структуры могут создавать самые разные комбинации при образовании нанообъектов, наностержни, наноалмазы и др.

Общепризнанной считается еще одна форма углерода, а именно углеродные нанотрубки. После открытия углеродных нанотрубок появились многочисленные работы по исследованию структуры и свойств, а также по возможным применениям нанотрубок. В основном обсуждаются два направления применения углеродных нанотрубок. Первое — это применение в электронике. Для этих целей проводят исследования по выращиванию углеродных нанотрубок «в нужном месте, в нужном направлении и с требуемыми свойствами». Второе направление — это материаловедение, т.е. разработка композиционных материалов с упрочняющими элементами из нанотрубок.

Фуллерены С (а), С (б), С (в)

Рис. 7.1. Фуллерены С60 (а), С70 (б), С540 (в)

Углеродные нанотрубки — это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров, представляющие собой одну или несколько свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (рис. 7.2). Заканчиваются нанотрубки обычно полусферами. Наиболее часто длина нанотрубок составляет несколько микрон. Однако рядом исследователей синтезированы нанотрубки длиной до нескольких миллиметров.

Металлические нанотрубки имеют высокую электропроводность даже при температурах, близких к абсолютному нулю, в то время как электропроводность полупроводниковых трубок чрезвычайно мала при близких к абсолютному нулю температурах и возрастает при повышении температуры.

Нанотрубки — самое жесткое (прочное) волокно из всех известных, их модуль упругости составляет 1,4 ГПа. Как и ожидалось, их удлинение до разрушения составляет 20—30%, что в сочетании с их жесткостью дает предел прочности на разрыв более 100 ГПа. Для сравнения модуль упругости стали повышенной прочности составляет около 200 ГПа, а предел прочности на разрыв — 1—2 ГПа. Для создания композиционных материалов применяют все возможные виды нанотрубок: одностенные, многостенные, жгуты нанотрубок и наностержни.

Схематическое изображение углеродных нанотрубок

Рис. 7.2. Схематическое изображение углеродных нанотрубок

Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода — это графит и алмаз. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз метастабилен. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 К алмаз начинает переходить в графит. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 К и давлении 11 — 12 ГПа. Искусственные (синтетические) алмазы получают в виде отдельных кристаллов в специальных ростовых установках или в виде нанопорошков.

Алмазные нанопорошки часто называют ультрадисперсные алмазы (УДА) или алмаз синтетический детонационный ультрадисперсный (АСДУ). Алмаз в силу своих уникальных физико-химических характеристик широко применяется в технике, поэтому интерес к получению кристаллов алмаза искусственным путем, в частности при детонационном превращении взрывчатых веществ, проявился уже в 40-е гг. XX в. Метод получения алмазов с применением энергии взрыва относят к динамическим методам синтеза. Он начал применяться в последние 23—35 лет. Источником углерода для алмазной фазы являются невзрывчатые углеродные материалы или сами взрывчатые углеродсодержащие вещества.

В первом случае взрывчатые вещества (ВВ) используются для динамического обжатия ампул с углеродным материалом, в результате которого образуются алмазы. Во втором случае процесс перехода углерода взрывчатого вещества в алмазную фазу происходит в детонационной волне, поэтому метод получил название детонационного синтеза алмазов. Детонационный метод отличается относительной простотой: заряд ВВ подрывают в герметичной защитной бронекамере, конденсированные продукты взрывчатого превращения, в том числе и алмазы, после взрыва остаются в камере, откуда их извлекают и очищают от примесей. Примеси — частицы металлов, из которых изготовлены бронекамеры и конструктивные элементы, необходимые для установки и подрыва заряда (подвески, провода, капсюли-детонаторы и т.д.). Чтобы уменьшить графитизацию и повысить выход алмазов, объем бронекамеры перед подрывом заполняют инертным газом (азотом, углекислым газом). Инертный газ в этом случае играет роль охладителя для разлетающихся продуктов детонации. В настоящее время в производстве детонационных алмазов в качестве взрывчатого материала чаще всего используются смеси тротила и гексогена.

Образующиеся при детонационном синтезе алмазные частицы имеют, в основном, размеры 2—6 нм, однако при этом наблюдаются частицы 10—20 нм, и даже 50—60 нм. Частицы детонационного алмаза имеют кубическую кристаллическую решетку с параметром элементарной ячейки а = 0,3575 нм (у природного алмаза а = 0,3566— 0,3567 нм). Из-за малых размеров частиц детонационные алмазы получили название ультрадисперсных алмазов или наноалмазов. Первичные наноалмазные частицы (d ~ 4 нм) объединены в прочные кластерные агрегаты, имеющие размер от 40 до 400 нм. В свою очередь первичные агрегаты объединяются во вторичные агрегаты и агломераты с размером 0,4 мкм (рис. 7.3).

В настоящее время отлажено производство алмазных нанопорошков четырех степеней чистоты: штатный, озонный, чистый первого типа и чистый второго типа.

В последнее время предложено в качестве упрочняющих частиц или наполнителя для композиционных материалов применять бороводородные соединения.

Видно (рис. 7.4), что форма и размеры соединений бора могут быть самыми разными, но одно качество их объединяет: все большие кристаллы не являются монолитным прочным материалом, а состоят из более мелких частиц.

Агломерированные наноалмазные частицы

Рис. 7.3. Агломерированные наноалмазные частицы

Общий вид соединений бора

Рис. 7.4. Общий вид соединений бора

Значительный интерес вызывает тот факт, что в присутствии катализаторов (железо, кобальт, никель, хром) происходит рост нанотрубок и наностержней из бороводородных соединений (рис. 7.5, а), которые вызывают повышенный интерес как материал для упрочнения полимерных композитов. При этом возможно получение такой комбинации как «наностержень в нанотрубке» (рис. 7.5, б), чего ранее не наблюдали.

Наностержни и нанотрубки из бороводородных соединений (а) и стержень внутри нанотрубки (б)

Рис. 7.5. Наностержни и нанотрубки из бороводородных соединений (а) и стержень внутри нанотрубки (б)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >