Глава 9. Понятие о наноматериалах

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Желеподобный наноматериал поглощает энергию пули

По окончании силового воздействия, материал возвращается в исходное желеподобное состояние

Согласно толковому словарю русского языка материалы — это предметы, вещества, сырье, идущие на изготовление чего-либо, т.е. на производство изделий, полезных человеку. Приставка «нано» (от греч. «nannos» – множитель приставки 10^-9 м) прочно вошла в современный научно-технический лексикон, обусловив широкое распространение в научно-технической литературе терминов «наноматериалы», «наноэлектроника», «нанотехнология», «нанокерамика» и др. В фокусе нанотехнологий находятся так называемые нанообъекты размером приблизительно от 1 до 100 нм. К нанообъектам относят как нуль-, так и одно- и двумерные структуры.

Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность.

Схема классификации НМ по структуре и химическому составу

Под термином «нанотехнология» понимают методы создания материалов с нанометровыми размерами структурных составляющих и объектов, имеющих нанометровые размеры.

Посредством нанотехнологий вещество переводится в нанокристаллическое или наноструктурированное состояние, в котором характерные геометрические размеры структурных элементов соизмеримы с тем или иным характерным масштабом физического явления, что приводит к качественному изменению свойств вещества.

Конструкционные материалы 

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использования в настоящее время – это получение высокопрочных и износостойких материалов. Так прочностные свойства увеличиваются по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а вязкость – либо уменьшается очень незначительно, либо возрастает, особенно, в случае керамических наноматериалов. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов. 

Инструментальные материалы 

Инструментальные сплавы с нанозерном являются, как правило, более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков. 

Производственные технологии 

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление тугоплавких нанопорошков к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Очень большая удельная поверхность нанопорошков способствует их применению в качестве катализаторов в ряде химических производств. 

Износостойкие материалы 

Металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Эффект износостойкости и малого коэффициента трения проявляется при использовании полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например, со сфероподобными молекулами С60) и фуллеридов (легированных фуллеренов, например, FexC60), наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti (Al, N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью.

В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB2-MoS2 c твердостью 20 ГПа и очень малым коэффициентом трения скольжения. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей, фторопластовые для уменьшения трения.

Электронная техника 

Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов) делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы из магнито-мягких сплавов используют для считывания информации с магнитного носителя, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы. Высокие значения коэрцитивной силы ряда наноматериалов делают перспективным их использование в качестве постоянных магнитов. Углеродные нанотрубки, покрытые слоем атомов железа, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа SmxCoy применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe0,3Co0,7 диаметром 50 нм (рис. 16).

Защита материалов 

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. В этих целях 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 (рис. 17). 

Медицина и биотехнологии

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – для изготовления имплантантов, протезов и травматологических аппаратов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях). 

Военное дело 

Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий самолетов, созданных с применением технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем и электроники противника (т.н. «графитовая бомба»). 

Ограничения в использовании наноматериалов 

Важным ограничением для использования наноструктурных конструкционных материалов является их склонность к коррозии из-за очень большой объемной доли границ зерен. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия атомов с поверхности и по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен и т.д.).

Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а, следовательно, нестабильность их свойств. Так при термических, радиационных, деформационных и т.п. воздействиях неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления распада, фазовых превращений, спекания и заплывания нанопор и нанокапилляров, аморфизации или кристаллизации. Например, углеродные нановолокона, предназначенные для фильтрации жидкости, могут повреждаться под действием вибраций и возбуждаемой потоком жидкости структурной неустойчивости углерода. При формовании изделий из нанопорошков достаточно остро встает также проблема слипания наночастиц, что может осложнить получение материалов с заданной структурой и распределением компонентов.

Следует отметить, что в настоящее время наиболее широко выпускаются такие наноматериалы, как нанопорошки металлов и сплавов, нанопорошки оксидов (кремния, железа, сурьмы, алюминия, титана), нанопорошки ряда карбидов, углеродные нановолокна, фуллереновые материалы.