2.4. Композиционные наноматериалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой искусственно созданные неоднородные сплошные материалы, состоящие из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и воздействия агрессивной химической среды. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также взаимодействием наполнителя и матрицы между собой. Характеристики создаваемого из композита изделия зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

В качестве материала матрицы и наполнителя могут выступать самые разнообразные по природе и происхождению материалы. В широком смысле слова практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку все материалы чрезвычайно редко применяются в чистом виде. Это создает определенные сложности с точки зрения использования термина «композиционный материал», поскольку он зачастую механически распространяется на все сложные системы, содержащие несколько компонентов. Следует подчеркнуть, что наука о композиционных материалах (раздел материаловедения) зародилась относительно недавно (в 60-х годах прошлого века) и разрабатывалась главным образом для решения проблемы улучшения механических характеристик и жаростойкости органических полимерных материалов. В этом случае, наполнитель выполняет функцию армирующего элемента. Удельные механические характеристики подобных композитов (нормированные на плотность) заметно выше, чем у исходных компонентов. Именно благодаря усиливающему эффекту, композиты отличаются от наполненных полимерных систем, в которых роль наполнителя сводится к удешевлению цены конечного продукта, но при этом заметно снижаются механические свойства материала.

Композиционные наноматериалы (нанокомпозиты) – это материалы, которые получаются с помощью внедрения наноразмерных частиц наполнителя в структурообразующую твердую фазу (матрицу). Нанокомпозиты отличаются исключительно развитой площадью поверхности частиц наполнителя, которая превышает аналогичный показатель для обычных коипозиционных материалов на порядок и выше. При этом соотношение поверхности к объему для фазы наполнителя имеет очень высокие значения. В связи с этим, свойства нанокмпозитов 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 нанометровом диапазоне (1 – 100 нм).

Характер влияния наночастиц на свойства композиционных наноматериалов и области использования нанокомпозитов в значительной степени зависит от среды, в которой диспергируются наночастицы, т. е. от типа матрицы. В зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на следующие виды:

• полимер-матричные нанокомпозиты;

• металл-матричные нанокомпозиты;

• керамические нанокомпозиты;

• стекло-матричные нанокомпозиты;

• гибридные нанокомпозиты;

• толстопленочные покрытия;

• тонкопленочные покрытия и мембраны.