Войти
Нанокомпозит - это многофазный твердый материал, одна из фаз которого имеет одно, два или три измерения меньше 100 нанометры (нм) или структуры, имеющие нанометровые расстояния повторения между различными фазами, составляющими материал.
Идея нанокомпозита заключается в использовании строительных блоков с размерами в нанометровом диапазоне для проектирования и создания новых материалов с беспрецедентной гибкостью и улучшением их физических свойств.
В самом широком смысле это определение может включать пористую среду, коллоиды, гели и сополимеры, но более обычно подразумевают твердую комбинацию объемной матрицы и наноразмерной фазы (фаз), различающихся свойствами из-за различий в структуре и химическом составе. Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические и каталитические свойства нанокомпозита будут заметно отличаться от свойств материалов компонентов. Были предложены пределы размера для этих эффектов:
Нанокомпозиты встречаются в природе, например, в структуре раковины морского ушка и кости. Использование материалов, богатых наночастицами, задолго до понимания физической и химической природы этих материалов. Jose-Yacaman et al. исследовал происхождение глубины цвета и устойчивости к кислотам и биокоррозии краски Maya blue, объясняя это механизмом наночастиц. С середины 1950-х годов наноразмерные органо-глины использовались для управления потоком растворов полимеров (например, в качестве загустителей красок) или состава гелей (например, в качестве загустителя в косметике, сохраняя препараты в гомогенной форме). К 1970-м годам композиты полимер / глина были темой учебников, хотя термин «нанокомпозиты» не использовался широко.
С механической точки зрения нанокомпозиты отличаются от обычных композиционных материалов из-за исключительно высокого отношения поверхности к объему армирующей фазы и / или ее исключительно высокого аспектного отношения. Армирующий материал может состоять из частиц (например, минералов), листов (например, стопки расслоенной глины) или волокон (например, углеродных нанотрубок или электропряденых волокон). Площадь границы раздела между матрицей и армирующей фазой (-ами) обычно на порядок больше, чем для обычных композитных материалов. Вблизи арматуры свойства материала матрицы существенно изменяются. Ajayan et al. Обратите внимание, что в случае полимерных нанокомпозитов свойства, связанные с местной химией, степенью термореактивного отверждения, подвижность полимерной цепи, конформация полимерной цепи, степень упорядоченности полимерных цепей или кристалличность могут значительно и непрерывно изменяться от границы раздела с армированием до основной массы матрицы..
Эта большая площадь армирующей поверхности означает, что относительно небольшое количество наноразмерного армирования может оказывать заметное влияние на макроуровневые свойства композита. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электрическую и теплопроводность. Другие виды наночастиц могут привести к улучшенным оптическим свойствам, диэлектрическим свойствам, термостойкости или механическим свойствам, таким как жесткость, прочность и сопротивление. износиться и повредить. Как правило, наноусиление диспергируется в матрице во время обработки. Весовой процент (так называемая массовая доля) введенных наночастиц может оставаться очень низким (порядка 0,5–5%) из-за низкого порога перколяции наполнителя , особенно для наиболее часто используемых не сферические наполнители с высоким соотношением сторон (например, пластинки нанометровой толщины, такие как глины, или цилиндры нанометрового диаметра, такие как углеродные нанотрубки). Ориентация и расположение асимметричных наночастиц, несоответствие термических свойств на границе раздела, плотность границы раздела на единицу объема нанокомпозита и полидисперсность наночастиц существенно влияют на эффективную теплопроводность нанокомпозитов.
Композиты с керамической матрицей (КМЦ) состоят из керамических волокон, встроенных в керамическую матрицу. Матрица и волокна могут состоять из любого керамического материала, включая углеродные и углеродные волокна. керамика, занимающая большую часть объема, часто относится к группе оксидов, таких как нитриды, бориды, силициды, тогда как второй компонент часто представляет собой металл. В идеале оба компонента тонко диспергированы друг в друге, чтобы выявить определенные оптические, электрические и магнитные свойства, а также трибологические, коррозионно-стойкие и другие защитные свойства.
Бинарная фазовая диаграмма смесь следует учитывать при разработке металлокерамических нанокомпозитов, и необходимо принимать меры, чтобы избежать химической реакции между обоими компонентами. Последний пункт в основном важен для металлического компонента, который может легко вступить в реакцию с керамикой и тем самым потерять свой металлический характер. Этому ограничению непросто соблюсти, поскольку для приготовления керамического компонента обычно требуются высокие температуры процесса. Таким образом, самая безопасная мера - это тщательно выбирать несмешивающиеся металлические и керамические фазы. Хорошим примером такой комбинации является металлокерамический композит TiO 2 и Cu, смеси которых оказались несмешивающимися на больших площадях в треугольнике Гиббса Cu -O-Ti.
Концепция нанокомпозитов с керамической матрицей была также применена к тонким пленкам, которые представляют собой сплошные слои толщиной от нескольких нм до нескольких десятков мкм, нанесенные на нижележащую подложку и которые играют важную роль в функционализации технических поверхностей. Распыление в потоке газа методом полого катода оказалось достаточно эффективным методом получения нанокомпозитных слоев. Этот процесс работает как метод осаждения на основе вакуума и связан с высокими скоростями осаждения до нескольких мкм / с и ростом наночастиц в газовой фазе. Нанокомпозитные слои в диапазоне составов керамики были приготовлены из TiO 2 и Cu методом полого катода, который показал высокую механическую твердость, малые коэффициенты трение и высокая устойчивость к коррозии.
Нанокомпозиты с металлической матрицей также могут быть определены как композиты с армированной металлической матрицей. Этот тип композитов можно разделить на сплошные и непрерывные армированные материалы. Одним из наиболее важных нанокомпозитов является композиты с металлической матрицей углеродных нанотрубок, который представляет собой новый материал, который разрабатывается для использования преимуществ высокой прочности на разрыв и электропроводности материалов углеродных нанотрубок. Решающее значение для реализации УНТ-ММС, обладающих оптимальными свойствами в этих областях, является разработка синтетических методов, которые (а) экономически производимы, (б) обеспечивают однородную дисперсию нанотрубок в металлической матрице и (в) приводят к сильному межфазная адгезия между металлической матрицей и углеродными нанотрубками. В дополнение к композитам с металлической матрицей углеродных нанотрубок, композиты с металлической матрицей, армированные нитридом бора и композиты с металлической матрицей из нитрида углерода, являются новыми областями исследований нанокомпозитов с металлической матрицей.
Недавнее исследование, сравнивающее механические свойства (модуль Юнга, сжатие) предел текучести, модуль упругости и предел текучести при изгибе) однослойных и многослойных армированных полимерных (полипропиленфумарат - PPF) нанокомпозитов на нанотрубки из дисульфида вольфрама, армированные нанокомпозитами PPF, позволяют предположить, что нанотрубки из дисульфида вольфрама, армированные нанотрубками из полипропилена, обладают значительно более высокими механическими свойствами, а нанокомпозиты из дисульфида вольфрама обладают значительно более высокими механическими свойствами и нанокомпозитами из дисульфида вольфрама являются лучшими усиливающими агентами, чем углеродные нанотрубки. Повышение механических свойств может быть связано с однородной дисперсией неорганических нанотрубок в полимерной матрице (по сравнению с углеродными нанотрубками, которые существуют в виде агрегатов микронных размеров) и повышенной плотностью сшивания полимера в присутствии нанотрубок из дисульфида вольфрама (увеличение плотности сшивания приводит к повышению механических свойств). Эти результаты предполагают, что неорганические наноматериалы, в целом, могут быть лучшими усиливающими агентами по сравнению с углеродными нанотрубками.
Другим видом нанокомпозита является энергетический нанокомпозит, обычно представляющий собой гибридный золь-гель с кремнеземной основой, который в сочетании с оксидами металлов и наноразмерным алюминиевым порошком может образовывать супертермитные материалы.
В простейшем случае правильное добавление наночастиц к полимерной матрице может улучшить ее характеристики, часто значительно, просто за счет использования природы и свойств наноразмерного наполнителя. (эти материалы лучше описываются термином полимерные композиты с нанонаполнением ). Эта стратегия особенно эффективна при получении композитов с высокими эксплуатационными характеристиками, когда достигается однородная дисперсия наполнителя и свойства наноразмерного наполнителя существенно отличаются или лучше, чем у матрицы. Однородности дисперсии во всех нанокомпозитах противодействует термодинамическое разделение фаз. При кластеризации наноразмерных наполнителей образуются агрегаты, которые служат структурными дефектами и приводят к разрушению. Послойная сборка (LbL), когда слои нанометрового масштаба из наночастиц и полимера добавляются один за другим. Композиты LbL демонстрируют рабочие параметры в 10-1000 раз лучше, чем традиционные нанокомпозиты, полученные путем экструзии или периодического смешивания.
Наночастицы, такие как графен, углеродные нанотрубки, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, используются в качестве усиливающих агентов для изготовления механически прочных биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для инженерии костной ткани. Добавление этих наночастиц в полимерную матрицу при низких концентрациях (~ 0,2 мас.%) Вызывает значительное улучшение механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. Потенциально эти нанокомпозиты могут быть использованы в качестве нового, механически прочного и легкого композитного материала в качестве костных имплантатов. Результаты показывают, что механическое усиление зависит от морфологии наноструктуры, дефектов, дисперсии наноматериалов в полимерной матрице и плотности сшивки полимера. В общем, двумерные наноструктуры могут усиливать полимер лучше, чем одномерные наноструктуры, а неорганические наноматериалы являются более сильными усиливающими агентами, чем наноматериалы на основе углерода. В дополнение к механическим свойствам, полимерные нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок или графена использовались для улучшения широкого диапазона свойств, что привело к появлению функциональных материалов для широкого диапазона приложений с высокой добавленной стоимостью в таких областях, как преобразование и хранение энергии, зондирование и биомедицинская тканевая инженерия. Например, полимерные нанокомпозиты на основе многослойных углеродных нанотрубок были использованы для повышения электропроводности.
Наноразмерное диспергирование наполнителя или контролируемых наноструктур в композите может привнести новые физические свойства и новое поведение, которые отсутствуют в незаполненные матрицы. Это эффективно изменяет природу исходной матрицы (такие композитные материалы лучше описывать термином настоящие нанокомпозиты или гибриды ). Некоторыми примерами таких новых свойств являются огнестойкость или огнестойкость и ускоренная биоразлагаемость.
Ряд полимерных нанокомпозитов используется для биомедицинских применений, таких как тканевая инженерия, доставка лекарств, клеточная терапия. Благодаря уникальным взаимодействиям между полимером и наночастицами можно создать ряд комбинаций свойств, имитирующих структуру и свойства нативной ткани. Ряд природных и синтетических полимеров используется для создания полимерных нанокомпозитов для биомедицинских применений, включая крахмал, целлюлозу, альгинат, хитозан, коллаген, желатин и фибрин, поли (виниловый спирт) (PVA), поли (этиленгликоль) (PEG), поли (капролактон) (PCL), сополимер молочной и гликолевой кислоты (PLGA) и поли (глицерин себацинат) (PGS). Ряд наночастиц, включая керамические, полимерные, наноматериалы на основе оксидов металлов и углерода, включены в полимерную сеть для получения желаемых комбинаций свойств.
Нанокомпозиты, которые могут реагировать на внешний раздражитель, вызывают повышенный интерес в связи с тем, что из-за большого количества взаимодействия между фазовыми интерфейсами ответ на раздражитель может иметь большее влияние на композит в целом. Внешний стимул может принимать разные формы, например магнитное, электрическое или механическое поле. В частности, магнитные нанокомпозиты полезны для использования в этих приложениях из-за природы способности магнитного материала реагировать как на электрические, так и на магнитные стимулы. Глубина проникновения магнитного поля также велика, что приводит к увеличению площади воздействия на нанокомпозит и, следовательно, к увеличению отклика. Чтобы реагировать на магнитное поле, матрица может быть легко загружена наночастицами или наностержнями. Различные морфологии магнитных нанокомпозитных материалов обширны, включая наночастицы с дисперсией в матрице, наночастицы ядро-оболочка, коллоидные кристаллы, макромасштабные сферы или наноструктуры янусового типа..
Магнитные нанокомпозиты могут использоваться в большом количестве приложений, включая каталитические, медицинские и технические. Например, палладий является обычным переходным металлом, используемым в реакциях катализа. Комплексы палладия, нанесенные на магнитные наночастицы, могут быть использованы в катализе для повышения эффективности палладия в реакции.
Магнитные нанокомпозиты также могут использоваться в области медицины, при этом магнитные наностержни, встроенные в полимерную матрицу, могут помочь в более точная доставка и высвобождение лекарств. Наконец, магнитные нанокомпозиты можно использовать в высокочастотных / высокотемпературных приложениях. Например, можно изготавливать многослойные структуры для использования в электронных приложениях. Электроосажденный многослойный образец оксида Fe / Fe может быть примером такого применения магнитных нанокомпозитов.
В последние годы были разработаны нанокомпозиты, способные выдерживать высокие температуры за счет добавление углеродных точек (CD) в полимерную матрицу. Такие нанокомпозиты можно использовать в средах, где высокая термостойкость является главным критерием.
Научный портал 
Технологический портал 