Нанокомпозиты — структурированные материалы со средним размером одной из фаз менее 100 нм. Один нанометр (от греческого «нано» — «карлик») равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов.
Наноструктурные композиты имеют повышенные механические и иные свойства из-за уменьшения среднего размера кристаллитов и уплотнения материалов. Широким классом композитных материалов являются армированные или упрочненные нановолокнами пластики, керамика и другие материалы.
Нитевидные кристаллы (или «усы»), представляющие основу наноматериалов, — это монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от нескольких нанометров до нескольких сотен микрон и большое отношение длины к диаметру, обычно превышающее 100 крат.
Наиболее важное свойство нитевидных кристаллов — уникально высокая прочность, в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов. Высокая прочность нитевидных кристаллов объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством (а иногда практически полным отсутствием) объемных и поверхностных дефектов, одна из важнейших причин малой дефектности нитевидных кристаллов — их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика.
В нитевидных кристаллах, в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах.
Технологию получения нитевидных кристаллов каждая научная группа старается держать в секрете. Известно несколько методов получения таких структур:
— физическое испарение с последующей конденсацией;
— осаждение из газовой фазы при участии химических реакций;
— кристаллизация из растворов;
— направленная кристаллизация эвтектических сплавов;
— выращивание на пористых мембранах и др.
В большинстве случаев рост нитевидных кристаллов происходит по механизму «пар-жидкость-кристалл» (vaporliquid-solid, VLS), однако в случае каждой конкретной системы ноу-хау запуска этого механизма — наиболее ценная интеллектуальная собственность.
Важнейшие направления в применении нитевидных кристаллов базируются именно на их высоких прочностных свойствах при нахождении в составе композиционных материалов, а также на использовании их высокой тепловой и абразивной стойкости.
Нанокомпозиты на основе полимеров и керамики сочетают в себе качества составляющих компонентов:
— гибкость;
— упругость;
— перерабатываемость получаемых полимеров;
— характерная для стекол твердость;
— устойчивость к износу;
— высокий показатель светопреломления.
Благодаря такому сочетанию улучшаются многие свойства материала по сравнению с исходными компонентами. Уже сейчас они находят применение в качестве специальных твердых защитных покрытий как для неорганических, так и для полимерных материалов, а также как световоды и оптические волокна, адгезивы, адсорбенты и, наконец, как новые конструкционные материалы.
СЛОИСТЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ
Слоистые нанокомпозиты создаются на основе керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит (наноглина, относится к подклассу слоистых силикатов) или вермикулит (минерал из группы гидрослюд, имеющих слоистую структуру), которые встречаются, например, в глинах. Слой монтмориллонита толщиной ~1 нм в ходе реакции ионного обмена насыщают мономерным предшественником с активной концевой группой (капролактамом, бутадиеном, акрилонитрилом или эпоксидной смолой), а затем проводят полимеризацию. Эти материалы характеризуются высокими механическими свойствами, термической и химической стабильностью.
Нанокерамику можно представлять как керамический материал, получаемый спеканием глин или порошков неорганических веществ, кристаллиты 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 средствах.
НАНОКОМПОЗИТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ МЕТАЛЛЫ ИЛИ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Эти материалы привлекают внимание прежде всего уникальными свойствами входящих в их состав кластеров, образованных разным количеством атомов металла или полупроводника — от 10 до нескольких тысяч. Характерные размеры таких агрегатов — от 1 до 10 нм, что соответствует огромной удельной поверхности.
Подобные нанокомпозиты отличаются по свойствам (ширине полосы поглощения, спектральным характеристикам, электронному переносу) как от блочных материалов, так и от индивидуального атома или молекулы, причем полупроводниковые свойства выражены особенно сильно, даже если размер частицы достигает сотен нанометров. Так, при переходе от нанокристалла CdS к макрокристаллу время жизни увеличивается от пикосекунд до нескольких наносекунд, температура плавления повышается от 400 до 1600 °С.
Нелинейные оптические свойства нанокластеров позволяют создавать на их основе управляемые квантовые светодиоды для применения в микроэлектронике и телекоммуникации.
Металлические (и полупроводниковые) нанокластеры можно приготовить по-разному: испарением или распылением металлов, восстановлением их солей и другими способами. Например, кластеры серебра, золота или палладия размером 1–15 нм были диспергированы в пленку полистирола (или полиметилметакрилата) в ходе полимеризации жидкого мономера, в который предварительно осаждался металл из паров.
Структура металлического кластера при этом объединяется в агломераты разной величины — вплоть до нескольких десятков нанометров. Похожую структуру имеют композитные пленки, полученные одновременным осаждением паров металла и плазменной полимеризацией бензола или гексаметилдисилазана.
В настоящее время именно многослойные нанокомпозиты на силикатной основе привлекают большое внимание производственников, поскольку изготавливаются с помощью простого и рентабельного метода, позволяющего совершенствовать свойства полимеров за счет добавления небольшого количества подходящих, специально подобранных наполнителей (органоглин). За счет этого образуются композитные материалы, в которых армирующие частицы распределяются в полимерной матрице на наноразмерном уровне.
В зависимости от того, как наполнитель распределяется внутри матрицы, морфология получаемых нанокомпозитов может различаться от так называемых внедренных нанокомпозитов с регулярно перемежающимися слоистыми силикатами и монослоями полимеров до расслаивающихся типов нанокомпозитов, в которых слои силиката беспорядочно и однородно распределяются внутри полимерной матрицы.
Наиболее простым и экономичным способом производства таких материалов является перемешивание полимера в расплавленном состоянии с многослойным силикатом.
В целом такие нанокомпозиты представляют большой интерес для глобальных рынков пластмасс. Полимерные компаунды, содержащие только небольшие количества органоглин (в основном 5 % по массе), можно использовать для производства деталей в автомобильной промышленности, упаковочных пленок с барьерными свойствами и усовершенствованных огнеупорных оплеток кабелей и проводов, а также для многих других технических средств.
НАНОБЕТОН
На данный период создан новый супербетон, который превосходит обычный по всем параметрам. Он сверхлегкий, особо прочный и стойкий к перепадам температур. Этот материал в 2–3 раза удешевляет строительство новых объектов, а также может использоваться при восстановлении зданий в тех случаях, когда традиционные технологии не работают.
Новый бетон разработан с применением нанотехнологий. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — существенно улучшают его физические качества. Механическая прочность нанобетона на 150 % выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50 %, а вероятность появления трещин в 3 раза ниже. Немаловажно и то, что вес конструкции, изготовленной из такого бетона, снижается примерно в 6 раз.
В результате такой модификации пластифицирующих добавок можно добиться фиксированного пластифицирующего эффекта при меньшем расходе пластификатора или снизить водоцементное отношение для увеличения прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.
Микродисперсное армирование ячеистого бетона наномодифицированной базальтовой микрофиброй позволяет получать уникальные строительные материалы новых поколений — ячеистый нанобетон.
Такой нанобетон разработан с использованием наноцемента и с применением нанотехнологий. Наноцемент — ультрадисперсный высокореактивный аморфный диоксид кремния. Добавка, именуемая наноцементом, является порошкообразным композиционным материалом, состоящим из ультрадисперсного высокореактивного аморфного диоксида кремния, силикагеля и комплекса натриевых солей.
Добавка «наноцемент» применима для:
— получения товарных бетонов и производства сборных конструкций из высокопрочного бетона В20 и выше;
— производства напорных железобетонных труб;
— изготовления на стендах густоармированных конструкций (типа ферм, балок, колонн, свай), плит и панелей в кассетах, в том числе на поточно-агрегатных и конвейерных линиях;
— возведения ответственных конструкций монолитных сооружений с повышенной степенью армирования и сложной конфигурацией;
— получения сухих строительных смесей и производства легкого бетона.
УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА
Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мк, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода в таких волокнах объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высоким сопротивлением при натяжении, низким удельным весом, низким коэффициентом расширения.
По сравнению с обычными конструкционными материалами, например алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми весьма полезными свойствами. Они имеют исключительно высокую термостойкость: в инертных средах или в вакууме — до 3000 °С (температура плавления стали 1500 °С) и на воздухе — до 450 °С.
Кроме высоких прочностных свойств и малого веса, углеродное волокно и композиты на его основе (углепластик) имеют черный цвет и хорошо проводят электричество, имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения, что делает углеродное волокно незаменимым в некоторых специальных областях применения.
Производителями тканых материалов углеродное волокно поставляется в виде нитей, которые представляют собой плотный пучок сложенных в одно целое элементарных углеродных волокон.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА И УГЛЕПЛАСТИКА
Углеродные волокна и углепластик имеют достаточно широкие области применения, включая:
— ракетостроение, авиастроение, самолетостроение и вертолетостроение;
— судостроение — военные, пассажирские корабли и катера, спортивные суда;
— автомобилестроение — спортивные автомобили, мотоциклы;
— спортинвентарь — велосипеды, теннисные ракетки, удочки и др.;
— специальные изделия — лопасти ветряных электрогенераторов и т.п.;
— углеродное волокно как основная линейка продукции;
— стандартные равнопрочные ткани с использованием углеродного волокна различных переплетений с плотностью от 93 до 630 г/м2 ;
— тяжелые равнопрочные ткани с использованием углеродного волокна плотностью от 650 до 1350 г/м2 ;
— тяжелые однонаправленные ткани из углеродного волокна.
ПРОВОДИМЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследователями разных стран достаточно большое количество работ посвящено отысканию сырья для получения углеродных волокон. Предполагается, что любое волокно, дающее высокий выход коксового остатка, можно рассматривать как потенциальный материал для получения углеродного волокна.
Однако существуют и другие факторы, играющие важную роль при получении этих волокон. Так, для волокон из полимеров, плавящихся при повышенной температуре, обязательным является предварительное окисление волокна для преобразования его в неплавкое состояние. Только после этого волокно можно подвергать карбонизации.
Для получения углеродных волокон были исследованы почти все типы химических и природных волокон. В качестве исходного сырья использовались волокна на основе алифатических и ароматических полиамидов, ароматических полиэфиров, гетероциклических термостойких полимеров, полиэтилена и др.
Возможно, что еще не найдены оптимальные условия переработки таких волокон в углеродное волокно. Поэтому набор волокон, служащих для получения углеродных волокон, на сегодняшний день не столь велик. К ним относятся: целлюлозное волокно — неплавкое и не требующее окисления, из которого были получены первые углеродные волокна; полиакрилонитрильное волокно, из которого вырабатывается основная масса углеродного волокна с большим ассортиментом свойств; пековые волокна, из которых вырабатываются самые дешевые и самые дорогие волокна.
К другим волокнам, имеющим практическое значение, относятся поливинилспиртовые волокна, волокно «Саран» (на основе винилиденхлорида, а также сополимера винилхлорида и винилиденхлорида) и фенольные волокна.
Возможно использование и других исходных волокон, например поливинилхлоридных, полиоксазольных, но они не имеют промышленного значения из-за сложной технологии получения, низкого качества и высокой стоимости углеродных волокон из них.
Освоение композитных материалов и их практическое использование в самых различных отраслях экономики представляют собой актуальнейшую задачу ученых, исследователей и производственников.