Нанокомпозиты

Структура и принципы формирования нанокомпозитов

Нанокомпозиты представляют собой многокомпонентные материалы, в которых хотя бы один из структурных элементов имеет характерный размер в нанометровом диапазоне (1–100 нм). В отличие от обычных композитов, в нанокомпозитах достигается значительно более высокая степень интеграции свойств за счет высокой удельной поверхности нанофаз, квантово-размерных эффектов и изменённых межфазных взаимодействий. Матрица может быть полимерной, металлической, керамической или углеродной, а нанонаполнители – наночастицами, нанотрубками, нанопластинами или нанопорами.

Классификация нанокомпозитов

  1. По типу матрицы:

    • Полимерные нанокомпозиты – используют термопласты, термореактивные смолы, эластомеры; применяются для улучшения механических и барьерных свойств.
    • Металлические нанокомпозиты – создаются на основе алюминиевых, титановых, медных сплавов; обладают высокой прочностью и термостойкостью.
    • Керамические нанокомпозиты – обеспечивают уникальное сочетание твердости и ударной вязкости при высокой температурной стойкости.
    • Углеродные нанокомпозиты – матрица из углеродных структур (например, углеродных волокон) с внедрением нанотрубок или графена.

  2. По форме нанонаполнителей:

    • Наночастицы (0D) – сферические или близкие к сфере объекты, в том числе металлы, оксиды, полупроводники.
    • Нановолокна и нанотрубки (1D) – обеспечивают анизотропное усиление свойств.
    • Нанопластины (2D) – слоистые структуры, например, графен или глинистые минералы.

  3. По распределению нанофаз:

    • Однородные – равномерное распределение нанонаполнителя по объему.
    • Градиентные – изменяющаяся концентрация наночастиц по толщине или длине изделия.
    • Сегрегированные – скопления наночастиц в определённых зонах.

Методы получения нанокомпозитов

  • Механическое смешение – диспергирование наночастиц в расплаве или растворе матрицы с последующим формованием.
  • Сол-гел метод – химическое формирование нанофаз из растворов прекурсоров с последующей полимеризацией матрицы.
  • Интеркалирование – внедрение полимерных или металлических цепей в межслоевые пространства слоистых материалов.
  • Газофазное осаждение (CVD, PVD) – формирование нанопокрытий или наноструктур на поверхности матрицы.
  • Ин-ситу синтез – образование наночастиц непосредственно внутри матрицы в ходе химической реакции.

Микроструктурные особенности

Нанокомпозиты характеризуются наличием развитой межфазной границы, где атомные и молекулярные взаимодействия существенно влияют на макроскопические свойства. Толщина межфазного слоя может составлять от нескольких нанометров до десятков нанометров, и в этой зоне возможны:

  • модификация кристаллической структуры;
  • изменение плотности и ориентации цепей в полимерах;
  • варьирование локальной электронной плотности в металлах;
  • возникновение локальных напряжений и дефектов.

Физико-механические свойства

Введение нанофаз в матрицу позволяет:

  • повысить модуль упругости за счет высоких значений жесткости нанонаполнителей;
  • увеличить прочность при растяжении и изгибе за счет эффективной передачи нагрузки через межфазный слой;
  • улучшить ударную вязкость, особенно при наличии нанопластин, препятствующих распространению трещин;
  • повысить износостойкость благодаря наноструктурированию поверхности.

Тепловые и электрические свойства

  • Теплопроводность – углеродные нанотрубки и графен способны на порядки увеличить теплопроводность полимерных матриц.
  • Термостойкость – наночастицы оксидов, нитридов и карбидов стабилизируют структуру при высоких температурах.
  • Электропроводность – металлические и углеродные наноструктуры образуют перколяционные сети, обеспечивая проводимость при минимальных концентрациях наполнителя.

Квантово-размерные эффекты

При уменьшении размеров нанофаз до 10–20 нм проявляются эффекты, недоступные макрообъектам:

  • дискретизация энергетических уровней;
  • увеличение запрещённой зоны в полупроводниках;
  • изменение спектра поглощения и люминесценции;
  • аномальное усиление каталитической активности.

Примеры применения

  • Авиация и космос – облегчённые конструкционные материалы с высокой прочностью.
  • Электроника – теплопроводящие подложки, экранирующие покрытия, сенсорные материалы.
  • Энергетика – материалы для аккумуляторов, топливных элементов и суперконденсаторов.
  • Медицина – нанокомпозиты для имплантатов и биосовместимых покрытий.
  • Защитные покрытия – высокоизносостойкие и коррозионно-стойкие слои.
Оглавление