62. Наноматериалы

К классу наноматериалов относят материалы с размером структурных элементов (хотя бы в одном измерении) 1...100 нм – ультрадисперсные порошки (УДП), нановолокна, нанопленки, наноструктурированные материалы и т. п.

Нанометровый масштаб материи открывает принципиально новые свойства вещества. Особенность наночастиц состоит в их сверхвысокой удельной поверхности – при радиусе частицы менее 50 нм она составляет более 6∙10⁷ 1/м. Это резко повышает величину и роль поверхностной энергии в ультрадисперсных системах. Размеры частиц оказываются соизмеримыми с длиной пробега в металлах электронов и фононов, что кардинально меняет ряд свойств материала: уменьшается параметр кристаллической решетки, обычные проводники приобретают сверхпроводимость, ферромагнетики становятся парамагнетиками и, наоборот, могут проявлять супермагнетизм, меняется степень черноты материала, увеличивается коррозионная стойкость, резко растет прочность и твердость при одновременном увеличении пластичности и т. д. Все это позволяет относить наноматериалы к новому классу материалов, промежуточному между кристаллическим и аморфным состояниями.

1. УДП широко используют в качестве катализаторов для химической промышленности и добавок к моторным маслам, восстанавливающим поверхности трущихся деталей; в атомной энергетике (таблетки ТВЭЛов изготавливаются из порошка UO₂), в новых видах оружия («графитовая бомба» – контейнер, начиненный высокопроводящим УДП-графитом, выводящим из строя энергосистемы противника), в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений (в том числе радиопоглощающих нанопокрытиях самолетов-невидимок «Стелс» и др. военной техники), при создании сверхпрочных материалов (сопла из УДП алмаза), в качестве шлифующего и полирующего материала при «финишинге» (конечной обработке) изделий электронной техники – полупроводников, диэлектриков и т. п. Перспективна добавка УДП к обычным порошкам при их прессовании и спекании, так, например, при получении порошковой никель-молибденовой стали замена карбонильного никеля на его УДП повысила прочность изделий в 1,5 раза, а их пластические свойства – в 4 раза.

Для получения УДП используют различные технологии: механическое измельчение; осаждение из растворов; газофазные способы – конденсация и плазмохимия. Например, УДП на основе Fe, Ni, Co можно получать, пропуская через плазменный разряд переменного тока карбонилы этих металлов, частицы титана – пропуская через разряд газообразный хлорид TiCl₄ (TiCl₄ = Ti + 2С1₂) и т. п.

2. В ходе направленного конструирования новых наноматериалов были созданы и исследованы фуллерены и нанотрубки.

Фуллерены⁷⁷ представляют собой семейство сферических замкнутых полых молекул разных размеров. Их поверхность состоит из соприкасающихся правильных пяти- и шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода. Общий символ фуллеренов – С_n, где n – число атомов углерода, образующих данный фуллерен – рис. 62.1.

Р ис. 62.1. Строение фуллеренов С₆₀, С₇₀ и С₉₀

Н анотрубки⁷⁸ – это молекулы из более миллиона атомов углерода, представляющие собой трубки с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрометров. На боковых стенках трубок атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Концы трубок могут быть закрытыми (рис. 62.2) и открытыми.

Рис. 62.2. Схема строения закрытой нанотрубки

Углеродные нанотрубки в 50…100 раз прочнее стали, имея в шесть раз меньшую плотность. Нанотрубки сочетают аномально высокие значения прочностных и упругих свойств – предел прочности на разрыв равен 30…100 ГПа при значениях модуля Юнга от 1,0 до 1,4 ТПа. Любопытно, что модуль Юнга, характеризующий жесткость материала, у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон.

На основе нанотрубок создают базовые элементы электронных систем, сверхпрочные нити и канаты, новые особо прочные композиционные материалы (в том числе «суперброню» для танков и бронежилетов), зонды для атомно-силовой микроскопии, подвесы нановесов, лампы накаливания и др.

Для получения фуллеренов и нанотрубок используется дуговой разряд между графитовыми электродами, а также пиролиз органических соединений и электролиз солей. Металлические нанопроволоки получают осаждением паров металла на подложках, имеющих ступенчатую структуру, полученную методом микролитографии.

3. Перспективным направлением является создание нанолегированных, а также наноструктурированных материалов.

Установлено, что добавка 11,5 масс. % многослойных углеродных нанотрубок диаметром 0,2 мкм к полипропилену приводит к удвоению его прочности на разрыв. Добавление 5 об. % нанотрубок к алюминию также вдвое увеличивает прочность получающегося материала. Теоретические оценки показывают, что при оптимальной доле нанотрубок в материале около 10 об. %, его прочность на разрыв может быть увеличена в шесть раз.

Для сплавов Ti₅₀А1₅₀ и Ti₅₀Ni₅₀ обнаружено, что при размере зерна ~ 20 нм предел прочности σ_в составляет порядка 2500 МПа против 500...700 МПа при зерне в 5 мкм. Предполагается, что снижение размера зерен поликристаллических металлов с 10 мкм до 10 нм позволит повысить прочность примерно в 30 раз.

На этих основах прогнозируется создание новых сверхлегких материалов с внутренней наноструктурой для изготовления всех видов наземных, воздушных и космических систем, которые будут в десятки раз прочнее стали.

В настоящее время нанотехнологии вплотную подходят к решению вопроса о создании из атомов нужных структур, не существующих в природе, но смоделированных на компьютере специально для получения заданных свойств. Использование наноматериалов, как ожидается, будет определять технический прогресс в начале XXI в.