Применение композиционных наноматериалов

Области применения нанокомпозитов весьма разнообразны – от строительства и медицины до ракето- и самолетостроения. Например, теплоизоляционная плитка для многоразового корабля «Буран», созданная учеными ВИАМ, сделана из нанокомпозита на основе карбида кремния. Наноструктурные объемные материалы отличаются большой прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также высокой твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их применения в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких конструкционных материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5 – 3 раза, пластичность при этом либо уменьшается очень незначительно, либо существенно возрастает (для Ni₃Al, например, увеличивается в 4 раза). Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающие очень высокой или ультравысокой твердостью (до 70 ГПа), хорошо зарекомендовали себя при решении задач, где требуется снизить трение скольжения. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20 ГПа и коэффициентом трения скольжения по стали на уровне 0,05. Довольно широко применяют металлические нанопорошки, которые добавляют к моторным маслам.

Поскольку композиты с присадкой углеродных наноматериалов сочетают гибкость и прозрачность полимеров с хорошей электропроводностью, присущей УНТ и нановолокнам, то подобные материалы могут быть с успехом использованы в гибких дисплеях, мобильных телефонах и других современных электронных приборах. Это объясняет интерес исследователей к изучению свойств композитов с присадкой из углеродных наноматериалов. При этом основное направление таких исследований связано с материалами, содержащими УНТ, в то время как значительно менее дорогие в производстве углеродные нановолокна используются в качестве присадки гораздо реже. Известно, например, что допирование полимеров углеродными наноматериалами (УНТ, нановолокна) придает полученным нанокомпозитам новые свойства. В частности, уже небольшое количество присадки (на уровне 0,1 %) вызывает увеличение электропроводности на много порядков и переводит полимер из класса диэлектриков в класс проводников.

Интенсивно разрабатываются нанокомпозитные материалы с полимерной основой для применения их, например, в тонкопленочных конденсаторах интегральных схем, твердых полимерных электролитах для гальванических элементов, оптических микрокоммутаторах, интеллектуальных наноразмерных коммутаторах, а также датчиках. Электропроводные нанополимеры стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых они заменили традиционную сталь для предотвращения накопления статических зарядов.

В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т. п. Для решения таких задач разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20 – 50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами.

В Массачусетском технологическом институте (США) разработали специальную технологию конструирования покрытий для придания им не просто желаемого уровня гидрофобности, но также и управляемой смачиваемости и управляемой скорости стекания заданной жидкости по заданной поверхности. Подход строится на подборе определенного сочетания твердого пористого носителя, который пропитывается гидрофобной жидкостью и удерживает ее на поверхности материала.

Композитная пленка с наночастицами оксида свинца проявляет высокую чувствительность к аммиаку, содержащемуся в атмосфере. В его присутствии электропроводность пленки меняется на несколько порядков в области концентраций аммиака, измеряемых миллионными долями. Эти изменения обратимы, т. е. если аммиак удалить из атмосферы, то проводимость пленки возвращается к исходному значению.