Нанокомпозитные материалы

Нанокомпозитные материалы

нанокомпозит определяется как многокомпонентный твердый материал, в котором один из компонентов в одном, двух или трех измерениях имеет размеры, не превышающие 100 нанометров; также под нанокомпозитами понимаются структуры, состоящие из множества повторяющихся компонентов-слоев (фаз), расстояние между которыми измеряется в десятках нанометров. Хотя нанокомпозиты можно встретить в природных объектах, к примеру, в костях живых организмов, нас больше интересует, как производятся и применяются искусственные нанокомпозитные материалы. Использовать нанокомпозиты начали еще в середине прошлого века, когда еще полностью не представляли себе их физическую и химическую сущность. Первыми нанокомпозитными материалами были реологические органоглины, полученные для нужд промышленности, и косметические средства.

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. Нанокомпозиты отличаются от обычных композиционных материалов благодаря значительно более развитой (на порядок и выше) площади поверхности частиц наполнителя. При этом  отношение поверхность/объем для фазы наполнителя имеет очень высокие значения. В связи с этим, свойства нанокомпозитов в значительно большей степени, по сравнению с обычными композиционными материалами,  зависят от морфологии частиц наполнителя  и характера взаимодействия компонентов на поверхности раздела фаз. Обязательным условием является то, что частицы наполнителя  должны иметь не менее одного значащего геометрического размера (длина, ширина или толщина), лежащего в нанометрическом диапозоне (1-100 нм).

Виды нанокомпозитных материалов. В зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на три категории. Нанокомпозиты на основе керамической матрицы улучшают оптические и электрические свойства первоначального материала (керамического соединения, состоящего из смеси оксидов, нитридов, силицидов и т. д.). В нанокомпозитах на основе металлической матрицы так называемым усиливающим материалом (нанокомпонентом) часто служат углеродные нанотрубки, повышающие прочность и электрическую проводимость. Наконец полимерные нанокомпозиты содержат полимерную матрицу с распределенными по ней наночастицами или нанонаполнителями, которые могут иметь сферическую, плоскую или волокнистую структуру.

Именно полимерные нанокомпозиты особенно востребованы в последнее время, потому было предложено много различных вариантов нанонаполнителей, усиливающих и изменяющих свойства полимеров. В качестве матрицы в этом виде нанокомпозитов применяют полипропилен, полистирол, полиамид или нейлон, а нанокомпонентами выступают частицы оксидов алюминия или титана, либо углеродные, а также кремниевые нанотрубки и волокна. Нанокомпозиты на основе полимеров отличаются от обычных полимерных композитных материалов меньшим весом и при этом большей ударопрочностью и износостойкостью, а также хорошим сопротивлением химическим воздействиям, что позволяет использовать их в военных и аэрокосмических разработках. Главное условие для создания полимерного нанокомпозита с необходимыми свойствами заключается в полной совместимости основного материала и добавляемых к нему наночастиц, однако не менее важно для конечного результата правильно распределить наночастицы на полимере. Потому производство нанокомпозитов представляет собой высокотехнологичную отрасль и требует проведения серьезных научных исследований в области нанотехнологий.

Нанокомпозиты также имеют свои термические, механические, оптические, электрические и каталитические свойства, которые различаются от составляющих материалов, входящих в нанокомпозит.

Эти эффекты могут быть оценены таким образом:

каталитическая активность < 5 нм; переход жесткого материала в мягкий < 20 нм; при <50 нм меняется индекс рефракции; при < 100 нм будет достигнут суперпарамагнетизм, а также высокая механическая прочность.

Применение

Область применения нанокомпозитов весьма широка: от медицины, химии, строительства до ракето - и самолетостроения.

Теплоизоляционная плитка для многоразового корабля «Буран», созданная учеными ВИАМ, сделана из нанокомпозита на основе карбида кремния. В последнее время нанокомпозиты широко применяются в стоматологии для протезирования. С использованием нанокомпозитов выращивают искусственные костные имплантаты. Модифицированные нанокомпозитные полимеры для создания инновационных упаковочных материалов. Применение нанокомпозитов в упаковке позволяет снизить количество используемого материала и снизить её общую стоимость, усилить барьерные свойства упаковки. Весьма перспективно применение композитов на основе углеродных нанотрубок и нановолокон. Они могут использоваться в катализе, оптоэлектронике, изготовлении различных сенсоров. Нанокомпозиты прекрасно подходят для иммобилизации протеинов, вирусов и бактерий. В автомобильной промышленности нашли применение наноглины. Они используются для увеличения огнеупорности, жаропрочности и изностойкости различных деталей. Аккумуляторы на основе кремний-углеродных нанокомпозитов имеют отличные показатели: большую емкость и значительную силу тока.

Нанокомпозиты это материалы будущего