Нанокомпозиты — будущее машиностроения



XXI век характеризуется разработкой новых композиционных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности. К таким материалам относятся нанокомпозиты, обладающие высокими физическими и механическими свойствами по сравнению с другими композитами.

Ключевые слова: композиционный материал, нанокомпозит, матрица, армирующее вещество, ВИАМ, материаловедение.

С каждым годом применение композиционных материалов в промышленности увеличивается, следовательно и масштабы их производства увеличиваются. Кроме того, разрабатываются новые виды композитов, с улучшенными механическими, физическими и другими свойствами и качествами. К таким материалам относятся нанокомпозиты.

Внедрение нанокомпозитов приведет к революционным преобразованиям в самых различных областях промышленности, например, авиастроении, химии, энергетике, медицине, биологии, экологии и т.д. [1, стр. 224]

Нанокомпозиты представляют собой один из видов композиционных материалов. Это структурированные материалы, размер фаз которых менее 100нм. Чтобы понять данное определение, рассмотрим композиционные материалы, их предысторию, классификацию и применение.

Композиционный материал (КМ) — это материал, состоящий из двух и более компонентов: матрицы (связующего) и армирующих элементов (наполнителей). Схема строения композитного материала представлена на рисунке 1.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей, а композит, прерывистый и разъединенный в объеме, называется арматурой или армирующим элементом. Понятие «армирующий» означает «введенный в материал с целью изменения его свойств» [1, стр.10].

Рис. 1. Строение композитного материала: 1 — матрица; 2 — армирующая частица; 3 — армирующее волокно диаметром d_В; d_С — толщина слоя в слоистом α — β композите; S_Ч — расстояние между частицами

Все компоненты отличаются либо по своей природе либо по химическому составу. Кроме того они объединены в единую монолитную структуру с границей раздела. Сочетание различных компонентов позволяет получить комплекс новых улучшенных физических, химических и механических свойств, в сравнении со свойствами компонентов взятых в отдельности.

История композиционных материалов началась с античных времен, когда впервые человек научился сочетать несколько компонентов для создания материала с заданными свойствами. К таким материалам можно отнести первые кирпичи и гончарные изделия за 5000 лет до н.э, которые содержали солому скрепленную с глиной. В 3000 годах до н. э. появились речные суда, которые изготовлялись из композиционного материала, напоминающего современный композит (стекловолокнит). Такой материал представлял собой смесь двух компонентов — тростника, пропитанного битумом. [3]

Битум — это составная часть горючих ископаемых, к которой относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации ее залежей в результате химического и биохимического окисления, например, горная смола. [4]

Наиболее значимое в развитии не только КМ, но и для человечества в целом является изобретение бетона в начале первого тысячелетия.

Словом, история развития композиционных материалов очень стара. С каждым годом свойства композитов улучшаются, появляются новые, более легкие, прочные, пластичные виды КМ.

Несмотря на то, что композиты используются очень давно, термин «композиционный материал» стал применяться лишь в XX веке, когда был изобретен стеклопластик, применяемый в авиастроении. Наука же о КМ стала развиваться с момента основания ВИАМ (1932г.) и вошла в раздел материаловедения.

ВИАМ — Всероссийский исследовательский институт авиационных материалов; это крупнейшее материаловедческое государственное предприятие, которое на протяжении почти 80 лет разрабатывает материалы, определяющие облик изделий авиакосмической техники России и мира [5]

Независимо от времени появления, все композиты обладают общими свойствами. Они не встречаются в природе в том виде, в котором их создал человек. При их создании человек опирается на свойства, которые необходимо получить от материала в машиностроении, поэтому КМ представляют собой искусственно созданные материалы с заранее заданными механическими свойствами.

В сравнении с другими материалами, в частности с металлами и их сплавами, композиты легче и прочнее, поэтому их применяют в авиационной промышленности и ракетостроении, но КМ нашли применение и в быту, и в строительстве, и в текстильной промышленности, то есть во всех сферах жизни общества. Современную эпоху можно назвать веком композиционных материалов, классификация которых огромна и представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Классификация композиционных материалов

Что же представляют собой КМ XXI века? Помимо изобретенных полимеров, в XXI веке применяются нанокомпозиты, являющиеся новой ступенью в развитии науки о материалах — материаловедении.

Под нанокомпозитами понимаются структуры, состоящие из множества повторяющихся компонентов — слоев (фаз), расстояние между которыми измеряется в десятках нанометров. Основной компонент — матрица с наноразмерным компонентом.

Для микроструктур данных композиционных материалов характерны уникальные свойства. Нанокомпозиты имеют в отличии от материалов обычных структур другие температуры плавления, они обладают высокой устойчивостью против коррозии и высокими механическими свойствами.

Необычность свойств наноматериалов такова, что можно сказать: начиная с конца XX века научно-технический прогресс человечества стал определяться наноматериалами и нанотехнологиями.

В крупных странах сформированы долговременные программы развития и практического использования наноматериалов. Главная проблема — практическое освоение технологий, обеспечивающих производство наноматериалов в достаточно больших объемах на рынках сбыта продукции [2, стр. 36].

В зависимости от типа матрицы, нанокомпозиционные материалы делятся на:

– нанокомпозиты на основе керамической матрицы;

– нанокомпозиты на основе металлической матрицы;

– нанокомпозиты на основе полимеров;

– слоистые нанокомпозиты.

Для создания нанокомпозитов применяются процессы, в результате которых происходит формирование наноструктур, а именно: кристаллизация, интенсивная пластическая деформация, фазовые превращения. Такие процессы протекают на «наноуровне» с помощью нанотехнологий.

Такие наноматериалы состоят из неограниченных наночастиц. Например, оксидов или силикатов. Что же представляет собой наночастица?

Наночастица — аморфная или полукристаллическая структура, имеющая хотя бы один характерный размер в диапазоне 1-100 нм. Согласно международной классификации (IUPAC) предельный размер наночастиц — 100 нм. Понятие наночастиц связано не с их размером, а с проявлением у них свойств в этом диапазоне.

В связи с этим возникают серьезные проблемы в получении нанокомпозитов — проблемы технологического и экономического характера, для устранения которых ученые XXI века разрабатывают новые, более совершенные и экономически выгодные методы получения данных композитов. Выбор метода получения композитов определяется областью, в которой они будут применяться (см. рисунок 3) и свойствами полученного продукта.

Рис. 3. Область применения нанокомпозитов

В заключение хотелось бы отметить, что значимость всех композиционных материалов для современной промышленности огромна. Сейчас композиты применяются в изготовлении различной продукции, начиная от пуговицы в текстильной промышленности и заканчивая лопастями винтов вертолетов и самолетов в авиастроении. С течением времени необходимо усовершенствование КМ, поэтому применение нанокомпозитов станет будущим машиностроения и других отраслей промышленности.

Литература:

1. Леонов В.В. Материаловедение и технология композиционных материалов: курс лекций// В.В. Леонов — Красноярск: 2007. — 241с.
2. Анциферов В.Н. Новые материалы: учебное пособие // В.Н. Анциферов; Ф.Ф. Бездудный и др. под редакцией проф. Ю.С. Карабасова — М: «МИСИС», 2002. — 736с
3. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.p-km.ru/ — История и причины создания композиционных материалов. — (Дата обращения: 15.04.16)
4. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://forexaw.ru/ -Битум (Asphalt). — (Дата обращения:19.04.16г.)
5. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.viam.ru/ — История. — (Дата обращения: 25.04.16г.)