Описание

Керамики являются материалами с высоким модулем упругости, высокой температурой плавления и высокой твердостью. Из-за присущей этим материалам хрупкости основная задача, решаемая посредством формирования композитных структур на их основе, — придание конструкционному материалу трещиностойкости. В таких композитах, в том числе с волокнистым армированием, это достигается, как правило, введением в структуру композита переходных, промежуточных слоев. В известных много десятилетий так называемых твердых сплавах для режущего инструмента роль такого промежуточного слоя между частицами керамики, обеспечивающего трещиностойкость композита, играет металлическая «связка».

Армированные композиты с керамической матрицей применяются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, а также составляющих броневых элементов. Композиты, наполненные микро- и наночастицами специальных добавок, используются в режущих кромках инструментов, в качестве износостойких материалов, а также материалов пломб в стоматологии.

К рассматриваемой категории не относятся композиты с полимерной, углеродной иметаллической матрицей.

16. Наноматериалы.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм^[1]. Способы получения наноматериалов можно разделить на две группы:

• «сборка из атомов»

• «диспергирование макроскопических материалов».

выделяют следующие типы наноматериалов:

• нанопористые структуры

• наночастицы

• нанотрубки и нановолокна

• нанодисперсии (коллоиды)

• наноструктурированные поверхности и пленки

• нанокристаллы и нанокластеры.

Сами наноматериалы делят по назначению на:

• Функциональные

• Композиционные

• Конструкционные.

Нанотехнологии являются новым весьма эффективным направлением развития конструкционных материалов. Наноструктурные объемные материалы отличаются большой прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их применения настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов.

По геометрическим признакам любые наноструктурные материалы, в том числе и конструкционные, можно классифицировать в соответствие с размерностью характерных для них наноструктурных единиц. При этом наноматериалы обладают размером основных структурных единиц (зерен, кристаллитов, выделений, слоев, включений) менее 100 нм. В случае объемных наноструктурных материалов - это трехмерные зерна и кристаллиты. Наноструктурированные поверхностный слой и слоистая структура характерны для двумерных наноструктур. Волоконная наноструктура одномерна. Нуль-мерныенаноструктурные выделения, включения, поры, сегрегации, порошки позиционируются как нуль-мерные наноструктуры.

Объемные нанокристаллические материалы получают, в основном, методами порошковой металлургии. К ним относятся:

1. Метод кристаллизации из аморфного состояния;

2. Метод интенсивной пластической деформации.

В первом методе нанокристаллическая структура создается в аморфном сплаве путем его кристаллизации. Спиннингование, т.е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов с помощью быстрого (со скоростью не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана отработано достаточно хорошо. Далее аморфная лента отжигается при контролируемой температуре для кристаллизации. Для создания нанокристаллической структуры отжиг проводится так, чтобы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой. Первой стадией кристаллизации может быть выделение мелких кристаллов промежуточных метастабильных фаз. При изучении аморфного сплава на основе Ni было выявлено, что сначала образуются маленькие кристаллы метастабильного сильно пересыщенного твердого раствора фосфора в никеле Ni(P), и только после этого появляются кристаллы фосфидов никеля. Предполагается, что барьером для роста кристаллов может быть аморфная фаза. Нанокристаллическую ленту удается получать и непосредственно в процессе спиннингования. Этим методом была получена лента сплава Ni65Al35, которая состояла из кристаллов интерметаллидаNiAl со средним размером зерна порядка 2 мкм. Эти кристаллы, в свою очередь, обладали очень равномерноймикродвойниковой субструктурой с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Эта субструктура препятствовала распространению микротрещин и тем самым повышала пластичность и вязкость хрупкогоинтерметаллидаNiAl.

ИПД обработка – это новая технология обработки металлов давлением, позволяющая получать объемные наноструктурные материалы с уникальными свойствами посредством сильного измельчения зерна до наноразмеров.

Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) — это метод ИПД, при котором образец, обычно имеющий форму диска диаметром 10-20 и толщиной 0.3-1.0 мм, подвергается деформации кручением в условиях высокого приложенного гидростатического давления. Диск помещается внутрь полости, прилагается гидростатическое давление (P), и пластическая деформация кручением достигается за счет вращения одного из бойков.

17. Классификация аллотропов углерода по характеру химической связи между атомами:

• sp³ формы:

  • Алмаз (куб)

  • Лонсдейлит (гексагональный алмаз)

• sp² формы

  • Графит

  • Графены

  • Фуллерены (C₂₀₊)

  • Нанотрубки

  • Нановолокна

  • Астралены

  • Стеклоуглерод

  • Колоссальные нанотрубки

• sp формы:

  • Карбин

• Смешанные sp³/sp² формы:

  • Аморфный углерод

  • Углеродные нанопочки

  • Углеродная нанопена

Алма́з  — минерал, кубическая аллотропная форма углерода^[1]. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит

Графи́т  — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально -скаленоэдрический). Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистыеагрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях (0001).

Графе́н — двумерная аллотропная модификацияуглерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большоймеханической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью . Высокая подвижностьносителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния винтегральных микросхемах.

Карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Состоит из углеродных фрагментов с тройной –С≡С–С≡С–, или двойной кумулированной =С=С=С=С= связью. Может быть линейным или образовывать циклические структуры.

Фуллере́н — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласнотеореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства   (где   и   соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и   шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными^[1].

Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины ), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

18. Биоматериалы — это материалы, призванные заменить поврежденные участки организма: их отдельные органы и ткани. Например, перелом или травма кости ведет к необходимости замены искусственным имплантатом поврежденной области. При ослаблении слуха пациенту необходим слуховой аппарат. Пластическая хирургия, когда люди хотят как-то изменить черты своего лица, тоже прибегает к помощи биоматериалов.

Биоматериалы можно условно разделить на две группы: трансплантаты и имплантаты. Особое место занимают биоматериалы, построенные из клеток или являющиеся их носителями. Первая группа — это органы и ткани, пересаженные от самого пациента или его близких родственников (например, почка, участок кости, кожа). В таком случае проблемы совместимости материала или не возникает, или, наоборот, орган отторгается, зато при удачном исходе он полностью обеспечивает необходимое функционирование. Однако невозможность предсказания итогов пересадки, а также более чем ограниченное количество трансплантатов накладывают свои ограничения на данный тип биоматериалов.

Вторая группа представляет собой «неживые» материалы, не имеющие непосредственного отношения к организму: полимеры, керамические блоки, скелеты кораллов и тому подобное. В случае имплантатов проблемы генетической несовместимости материала не возникает, тут встает вопрос о его принципиальной токсичности или биосовместимости. Имплантаты могут быть произведены в любом количестве, чтобы обеспечить необходимый спрос, что является их несомненным плюсом, однако полностью восстановить функции заменяемого органа они не в состоянии.

Как оказалось, при создании совершенных биосовместимых имплантатов огромное значение имеет организация биоматериала на нано-уровне, а именно наличие различных включений или пустот нанометрового размера приводит к кардинальному улучшению биосовместимости. Так, например, использование нанопористого полимера при изготовлении искусственного сердечного клапана позволяет добиться 3—4-кратного ускорения адаптации организма к инородному телу, а нанотекстурирование поверхности аортного катетера позволяет снизить вероятность его отторжения на 80%. Иногда проводят поверхностное модифицирование биоматериалов небольшим количеством антисептика в нанокристаллическом состоянии для предотвращения воспалительных процессов после имплантации.

Совершенно новые горизонты открываются при использовании последних достижений генной инженерии и операций с клеточными культурами. Представляется возможным «заселять» клетками имплантируемый биоматериал (например, при замене кости, которая является довольно пористым материалом) с тем, чтобы постепенно материал в среде организма растворился, а клетки построили бы на его основе естественную биологическую костную ткань — произошла бы биоминерализация. Особую роль отводят при этом стволовым клеткам, которые потенциально могут восстановить любые поврежденные ткани. В этом случае также чрезвычайно важна организация материала на наноуровне, позволяющая материалу, с одной стороны, быть достаточно «дружественным» к стволовой клетке, а с другой стороны, быстро растворяться в организме.

Проводятся работы в области создания тканей, выращенных в питательной среде на основе клеток человека, нуждающегося в помощи. Такие ткани не только не вызывают осложнений при замене ими поврежденных участков (ведь они идентичны тканям конкретного пациента), но и по всем свойствам повторяют утраченные или поврежденные органы.

Именно успех в области создания биоматериалов открывает дорогу к увеличению продолжительности жизни человека, а нанотехнологии и, тем более, развивающиеся в последнее время бионанотехнологии занимают здесь далеко не последнее место.

Нановесы

Самые чувствительные и самые маленькие в мире весы состоят из тонкого кантилевера-нанотрубки длиной около 4 микрон – чаша весов.

      В основе работы нановесов лежит эффект: собственная частота колебаний пружины зависит от массы груза и ее жесткости.

      Зная коэффициент упругости пружины и измерив частоту ее колебаний, можно определить массу частицы, находящейся на ее конце. Так же можно измерять массу, подсоединенную к свободному концу нанотрубки. В созданных весах кантилевер приводится в колебательное движение с помощью импульса лазера или переменного электрического поля. При этом он освещается тонким лазерным лучом, способным улавливать мельчайшие отклонения его собственной частоты колебания. Как только частица попадает на кантилевер, частота его колебаний уменьшается. Сдвиг собственной частоты из-за искомой добавочной массы измеряется с помощью “зайчика”, отражающегося от кантилевера.

Если известна упругость нанотрубки, то можно по смещению резонансной частоты определить массу частицы. И присоединенная масса может быть определена путем простого вычисления.

Таким образом можно взвешивать даже вирусы. Нанотрубочные весы применяются для измерения бактерий, клеток, биомолекул и других биологических объектов.

Нановолокна

Нановолокна – это нанообъекты, два характеристических размера которых (x и y) находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм). Два поперечных размера имеют обычно один и тот же порядок (x ~ y), а третий (z), наибольший размер, может значительно превышать x и y по величине и выходить за пределы нанодиапазона: z >> x,y ; x ~ y

Благодаря уникальным характеристикам нановолокон, таким как пористость и большая удельная поверхность – изготовление «умных» тканей с применением нановолокон стало возможным. Производство «умных» тканей с повышенными характеристиками заключается в правильном выборе органических/ полимерных/ проводниковых материалов, производстве волокон с добавками и использовании полученных волокон в готовой продукции.

Будущее применение нановолокнистого текстиля в производстве защитной одежды для военных, медицинских материалов и «умных» тканей имеет огромный потенциал в связи с особыми свойствами нановолокон.

Наножидкость

Наножидкость — это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. Такие жидкости представляют собой коллоидные растворы наночастиц в жидком растворителе. Вследствие малых размеров включений такие системы обладают особыми физико-химическими свойствами. На долю поверхности в них приходится до 50 % всего вещества. Обладают повышенной поверхностной энергией в связи с большим количеством атомов находящихся в возбуждённом состоянии и имеющем не менее одного свободного электрона на внешнем энергетическом уровне.

Наножидкости имеют различную природу. В качестве диспергированных веществ могут выступать полиорганосилоксаны, металлические, оксидные, карбидные, нитридные наночастицы, углеродные нанотрубки и т. д. В качестве дисперсионной среды обычно используется вода или этиленгликоль.

Применение: наножидкость используются в составе косметических средств для придания уникальных сенсорных характеристик. Эволюция нефтегазовых наножидкостей — кинетически контролируемый процесс, в котором промежуточные структуры отделены от равновесных состояний значительными кинетическими барьерами. При заключительной отделке текстильных материалов используют наночастицы различных веществ в виде наножидкости.

Наножидкость обладает новыми физическими свойствами, делающими её потенциально полезнымой в таких сферах как микроэлектроника, топливные элементы, фармацевтика, гибридные двигатели и т. д. В частности наножидкости обладают существенно увеличенной теплопроводностью и конвективным коэффициентом теплопередачи по сравнению с жидкостью-носителем. Установлено также, что применение сильноразбавленных наножидкостей в качестве теплоносителя позволяет существенно увеличить плотность критического теплового потока в установках кипящего типа.

Нанотермометр

Создан на основе многостенной углеродной нанотрубки, напоминает по своей конструкции и принципу действия уменьшенный в миллиарды раз обычный ртутный термометр. Многостенная углеродная нанотрубка, представляющая собой ряд замкнутых с одного конца концентрических цилиндров, длиной порядка 10 мкм и диаметром около 75 нм, служит корпусом нанотермометра. В качестве температурно-чувствительного элемента выступает металлический галлий, заполняющий часть внутреннего пространства нанотрубки. В интервале 50−500 °С зависимость высоты столбика галлия от температуры строго линейна как при повышении, так и при понижении температуры. Поскольку углеродная нанотрубка открыта с одного конца, то при нагревании нанотермометра на воздухе на поверхности столбика галлия образуется слой оксида, обладающего хорошей адгезией к поверхности трубки. В результате длина металлического столбика остается фиксированной даже после охлаждения системы до комнатной температуры, что дает возможность считать данные спустя несколько часов после проведения измерений. Для считывания показаний и определения температуры необходим электронный микроскоп.

19. Функциональные покрытия.

Инженерия поверхности включает в себя:

1. комплекс оборудования методов, обеспечивающих эффективное воздействие на поверхность материала для придания необходимых свойств.

2.КОМ, обеспечивающих нанесение многофункциональных покрытий: плазменных, ионно-плазменных, электронно-лучевых, лазерных, гальванических, химических, газофазных.

3.различные методы диагностики и прогнозирования как собственно модифицированного поверхностного слоя, так и объемных характеристик материала по состоянию его поверхности.

Развитие в области ИП:

1.новый высокопроизводственный технический процесс нанесения покрытий, обеспечивающий срок эксплуатации изделия.

2.методы исследования поверхности и анализа состава покрытий.

3.металлизация пластика стекл.

4.нанесение покрытий на большие поверхности.

5.сертификация продукции и чистые процессы.

6.разработка трибологических покрытий, позволяющих отказаться от традиционных смазок.

7.экономически эффективные вакуумные системы нанесения покрытий.

20.Жи́дкие криста́ллы — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекулвытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередьнематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

1. термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.

2. лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает «с двух концов», филос — «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Флексоэлектрический эффект был открыт в 1969 году Майером. Флексоэлектрический эффект заключается в возникновении электрического поля внутри материала под воздействием градиента деформации. В отличие от своего ближайшего "родственника" пьезоэлектрического эффекта (он возникает в результате механической деформации) он возникает во всех 32 классах симметрии кристаллов, в то время как пьезоэлектрический эффект - только в 20 из этих классов, что в теории ограничивает.

В рамках работы, вместо того, чтобы деформировать материал (в этом случае возникающий эффект довольно слабый и плохо регистрируется), ученые вырастили тонкую пленку из HoMnO3 на сапфировой подложке. Кристаллическая решетка подложки была немного шире решетки оксида. Параметры каждого следующего слоя атомов в пленке отличались от естественных меньше предыдущего, то есть решетка становилась все уже и уже. Как следствие, внутри пленки появился ненулевой градиент.

По словам ученых, флексоэлектрический эффект в полученном материале на 6-7 порядков мощнее, чем тот, который регистрировался при деформации оксидов в прошлом. При этом физикам удалось обнаружить интересный факт - оказалось, что особенности эффекта в материале определяются количеством кислорода в исходной смеси, которая используется для получения пленки оксида на подложке. По мнению ученых, подобным образов в теории можно контролировать свойства.

В неограниченном жидком кристалле (ЖК) в отсутствие внешних полей длинные оси молекул ориентированы преимущественно в одном направлении, характеризуемом еди ничным вектором n. В образце жидкого кристал ла из-за ограничивающих поверхностей или внешних силовых полей можно наблюдать

искажение ориентационной структуры ЖК. Один из наиболее важный эффектов, связанный с искажением упорядочения в ЖК и используемый в многочисленных устройствах отображения информации, носит название перехода Фредерикса. Он представляет собой деформацию однородной структуры слоя жидкого кристалла под действием приложенных к нему силовых полей.

Этот переход характеризуется конкуренцией поверхностных сил, ориентирующих жидкий кристалл на границе слоя, сил ориентационной упругости и внешних силовых полей, таких как магнитное или электрическое. Переход Фредерикса имеет пороговый характер, т.е. происходит в полях выше некоторого критического значения Hc. Помимо многочисленных практических приложений в устройствах отображения информации, его используют для определения упругих постоянных ЖК при исследовании деформаций, обусловленных внешними силовыми полями.

21. Нематические жидкие кристаллы.

Нематический жидкий кристалл ( НЖК, или нематик) представляет собой органическое вещество, обладающее анизотропией физических свойств и текучестью в определенном температурном интервале за счет упорядочения длинных осей молекул. Молекулы НЖК очень легко изменяют свою ориентацию в магнитном или электрическом поле; в отсутствие внешних полей НЖК определяется условиями на границе раздела. 

Нематический жидкий кристалл состоит из удлиненных молекул (стержней), которые в среднем ориентируются вдоль определенного направления. Этот дальний ориентационный порядок и ответствен за кристаллические свойства нематической фазы. Положения молекул в отличие от кристалла здесь не являются фиксированными. Это отсутствие дальнего трансляционного порядка обусловливает текучесть нематической фазы. Если нематический кристалл поместить между двумя параллельными пластинками, то направление преимущественной ориентации задается путем соответствующей обработки поверхностей пластин. Натирка поверхности вдоль определенного направления создает царапины, вдоль которых и ориентируются молекулы. 

Капсулирование нематических жидких кристаллов в полимерных пленках позволяет получать материалы, термочувствительность которых проявляется в изменении прозрачности. Капсулы, заполненные нематиком, не прозрачны при нормальных условиях. Интенсивность прошедшего света увеличивается пропорционально концентрации частиц нематиков в пленках.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК, холестерики) — это жидкие кристаллы, обладающие свойством спиральности, то есть в них отсутствует центральная симметрия. Иными словами, ХЖК обладают хиральностью.

Холестерическая фаза существует только у веществ, молекулы которых не обладают зеркальной симметрией. Поэтому холестерик при нагревании или охлаждении не может стать ни нематиком, ни смектиком.