Нанокомпозит - Nanocomposite

Нанокомпозит - это многофазный твердый материал, одна из фаз которого имеет одно, два или три измерения менее 100 нанометров (нм), или структуры, имеющие наноразмерные повторяющиеся расстояния между различными фазами, составляющими материал.

Идея нанокомпозита заключается в использовании строительных блоков с размерами в нанометровом диапазоне для проектирования и создания новых материалов с беспрецедентной гибкостью и улучшением их физических свойств.

В самом широком смысле это определение может включать пористые среды , коллоиды , гели и сополимеры , но чаще используется для обозначения твердой комбинации объемной матрицы и наноразмерной фазы (фаз), различающихся по свойствам из-за различий в структуре и химическом составе. Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические и каталитические свойства нанокомпозита будут заметно отличаться от свойств материалов компонентов. Были предложены пределы размера для этих эффектов:

<5 нм для каталитической активности
<20 нм для придания мягкости магнитотвердому материалу
<50 нм для изменения показателя преломления
<100 нм для достижения суперпарамагнетизма , механического упрочнения или ограничения движения дислокаций матрицы

Нанокомпозиты встречаются в природе, например, в структуре раковины и кости морского ушка . Использование материалов, богатых наночастицами, задолго до понимания физической и химической природы этих материалов. Jose-Yacaman et al. исследовали происхождение глубины цвета и устойчивости синей краски Maya к кислотам и биокоррозии , объясняя это механизмом наночастиц . С середины 1950-х годов наноразмерные органо-глины использовались для регулирования потока растворов полимеров (например, в качестве загустителей красок) или состава гелей (например, в качестве загустителя в косметике, сохраняя препараты в гомогенной форме). К 1970-м годам композиты полимер / глина были темой учебников, хотя термин «нанокомпозиты» не использовался широко.

С механической точки зрения нанокомпозиты отличаются от обычных композитных материалов исключительно высоким отношением поверхности к объему армирующей фазы и / или ее исключительно высоким соотношением сторон . Армирующий материал может состоять из частиц (например, минералов), листов (например, стопки расслоенной глины) или волокон (например, углеродных нанотрубок или электропряденых волокон). Площадь поверхности раздела между матрицей и армирующей фазой (-ами) обычно на порядок больше, чем для обычных композитных материалов. Вблизи арматуры свойства материала матрицы существенно изменяются. Ajayan et al. Обратите внимание, что в случае полимерных нанокомпозитов свойства, связанные с местной химией, степенью термореактивного отверждения, подвижность полимерной цепи, конформация полимерной цепи, степень упорядоченности полимерных цепей или кристалличность могут значительно и непрерывно изменяться от границы раздела с армированием до основной массы матрицы. .

Такая большая площадь армирующей поверхности означает, что относительно небольшое количество наноразмерного армирования может оказывать заметное влияние на макромасштабные свойства композита. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электрическую и теплопроводность . Другие виды наночастиц могут привести к улучшенным оптическим свойствам , диэлектрическим свойствам , термостойкости или механическим свойствам, таким как жесткость , прочность и устойчивость к износу и повреждениям. Как правило, наноусиление диспергируется в матрице во время обработки. Весовой процент (так называемая массовая доля ) введенных наночастиц может оставаться очень низким (порядка 0,5% - 5%) из-за низкого порога перколяции наполнителя , особенно для наиболее часто используемых наполнителей несферической формы с высоким коэффициентом формы. (например, пластинки нанометровой толщины, такие как глины, или цилиндры нанометрового диаметра, такие как углеродные нанотрубки). Ориентация и расположение асимметричных наночастиц, несоответствие термических свойств на границе раздела, плотность границы раздела на единицу объема нанокомпозита и полидисперсность наночастиц существенно влияют на эффективную теплопроводность нанокомпозитов.

Нанокомпозиты с керамической матрицей

Композиты с керамической матрицей (КМЦ) состоят из керамических волокон, встроенных в керамическую матрицу. Матрица и волокна могут состоять из любого керамического материала, включая углерод и углеродные волокна. Керамические занимающим большую часть объема, часто из группы оксидов, таких как нитриды, бориды, силициды, в то время как второй компонент часто является металл . В идеале оба компонента тонко диспергированы друг в друге, чтобы проявлять особые оптические, электрические и магнитные свойства, а также трибологические, коррозионно-стойкие и другие защитные свойства.

При разработке металлокерамических нанокомпозитов следует учитывать бинарную фазовую диаграмму смеси и принимать меры, чтобы избежать химической реакции между обоими компонентами. Последний пункт в основном важен для металлического компонента, который может легко вступить в реакцию с керамикой и тем самым потерять свой металлический характер. Это ограничение нелегко выполнить, поскольку для приготовления керамического компонента обычно требуются высокие температуры процесса. Таким образом, наиболее безопасным способом является тщательный выбор несмешивающейся металлической и керамической фаз. Хорошим примером такой комбинации является металлокерамический композит TiO ₂ и Cu , смеси которого оказались несмешивающимися на больших площадях в треугольнике Гиббса Cu-O-Ti.

Концепция нанокомпозитов с керамической матрицей была также применена к тонким пленкам, которые представляют собой твердые слои толщиной от нескольких нм до нескольких десятков мкм, нанесенные на нижележащую подложку, и которые играют важную роль в функционализации технических поверхностей. Распыление газового потока методом полого катода оказалось весьма эффективным методом получения слоев нанокомпозитов. Этот процесс работает как метод осаждения на основе вакуума и связан с высокими скоростями осаждения до нескольких мкм / с и ростом наночастиц в газовой фазе. Нанокомпозитные слои в диапазоне составов керамики были приготовлены из TiO ₂ и Cu методом полого катода, который показал высокую механическую твердость , малые коэффициенты трения и высокую стойкость к коррозии .

Металломатричные нанокомпозиты

Нанокомпозиты с металлической матрицей также можно определить как композиты с армированной металлической матрицей. Этот тип композитов можно разделить на сплошные и непрерывные армированные материалы. Одним из наиболее важных нанокомпозитов являются композиты с металлической матрицей углеродных нанотрубок , которые представляют собой новый материал, который разрабатывается с целью использования преимуществ высокой прочности на разрыв и электропроводности материалов углеродных нанотрубок. Решающее значение для реализации УНТ-ММС, обладающих оптимальными свойствами в этих областях, является разработка синтетических методов, которые (а) экономически производимы, (б) обеспечивают однородное диспергирование нанотрубок в металлической матрице и (в) приводят к сильной дисперсии нанотрубок в металлической матрице. межфазная адгезия между металлической матрицей и углеродными нанотрубками. В дополнение к композитам с металлической матрицей углеродных нанотрубок, композиты с металлической матрицей, армированные нитридом бора, и композиты с металлической матрицей из нитрида углерода являются новыми областями исследований нанокомпозитов с металлической матрицей.

Недавнее исследование, сравнивающее механические свойства (модуль Юнга, предел текучести при сжатии, модуль упругости и предел текучести при изгибе) однослойных и многослойных армированных полимерных (полипропиленфумарат - PPF) нанокомпозитов с нанотрубками из дисульфида вольфрама, армированными нанокомпозитами PPF, предполагает, что дисульфид вольфрама нанотрубки, армированные нанокомпозитами PPF, обладают значительно более высокими механическими свойствами, а нанотрубки из дисульфида вольфрама являются лучшими усиливающими агентами, чем углеродные нанотрубки. Повышение механических свойств может быть связано с равномерной дисперсией неорганических нанотрубок в полимерной матрице (по сравнению с углеродными нанотрубками, которые существуют в виде агрегатов микронного размера) и повышенной плотностью сшивания полимера в присутствии нанотрубок из дисульфида вольфрама (увеличение плотности сшивки приводит к повышению механических свойств). Эти результаты предполагают, что неорганические наноматериалы в целом могут быть лучшими усиливающими агентами по сравнению с углеродными нанотрубками.

Другой вид нанокомпозита - это энергетический нанокомпозит, обычно представляющий собой гибридный золь-гель на основе диоксида кремния, который в сочетании с оксидами металлов и наноразмерным алюминиевым порошком может образовывать супертермитные материалы.

Полимерно-матричные нанокомпозиты

В простейшем случае правильное добавление наночастиц к полимерной матрице может улучшить ее характеристики, часто резко, просто за счет использования природы и свойств наноразмерного наполнителя (эти материалы лучше описываются термином « полимерные композиты с нанонаполнением» ). Эта стратегия особенно эффективна при получении композитов с высокими эксплуатационными характеристиками, когда достигается однородная дисперсия наполнителя и свойства наноразмерного наполнителя существенно отличаются или лучше, чем у матрицы. Однородности дисперсии во всех нанокомпозитах противодействует термодинамическое разделение фаз. При кластеризации наноразмерных наполнителей образуются агрегаты, которые служат структурными дефектами и приводят к разрушению. Послойная сборка (LbL), когда слои наночастиц и полимера в нанометровом масштабе добавляются один за другим. Композиты LbL демонстрируют рабочие параметры в 10-1000 раз лучше, чем традиционные нанокомпозиты, полученные путем экструзии или периодического смешивания.

Наночастицы, такие как графен, углеродные нанотрубки, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, используются в качестве усиливающих агентов для изготовления механически прочных биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для инженерии костной ткани. Добавление этих наночастиц в полимерную матрицу при низких концентрациях (~ 0,2 мас.%) Вызывает значительное улучшение механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. Потенциально эти нанокомпозиты могут быть использованы в качестве нового, механически прочного и легкого композитного материала в качестве костных имплантатов. Результаты показывают, что механическое усиление зависит от морфологии наноструктуры, дефектов, дисперсии наноматериалов в полимерной матрице и плотности сшивки полимера. В общем, двумерные наноструктуры могут усиливать полимер лучше, чем одномерные наноструктуры, а неорганические наноматериалы являются более сильными усиливающими агентами, чем наноматериалы на основе углерода. В дополнение к механическим свойствам, полимерные нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок или графена использовались для улучшения широкого диапазона свойств, что привело к появлению функциональных материалов для широкого круга приложений с высокой добавленной стоимостью в таких областях, как преобразование и хранение энергии, зондирование и биомедицинская тканевая инженерия. Например, полимерные нанокомпозиты на основе многослойных углеродных нанотрубок используются для повышения электропроводности.

Наноразмерное диспергирование наполнителя или контролируемых наноструктур в композите может привнести новые физические свойства и новое поведение, которые отсутствуют в незаполненных матрицах. Это эффективно меняет природу исходной матрицы (такие композитные материалы лучше описать термином настоящие нанокомпозиты или гибриды ). Некоторыми примерами таких новых свойств являются огнестойкость или огнестойкость и ускоренная биоразлагаемость .

Ряд полимерных нанокомпозитов используется для биомедицинских приложений, таких как тканевая инженерия, доставка лекарств, клеточная терапия. Благодаря уникальным взаимодействиям между полимером и наночастицами можно создать ряд комбинаций свойств, имитирующих структуру и свойства нативной ткани. Ряд природных и синтетических полимеров используется для создания полимерных нанокомпозитов для биомедицинских применений, включая крахмал, целлюлозу, альгинат, хитозан, коллаген, желатин и фибрин, поли (виниловый спирт) (PVA), поли (этиленгликоль) (PEG), поли (капролактон) (PCL), сополимер молочной и гликолевой кислоты (PLGA) и поли (глицерин себацинат) (PGS). Ряд наночастиц, включая керамические, полимерные, наноматериалы на основе оксидов металлов и углерода, включаются в полимерную сеть для получения желаемых комбинаций свойств.

Магнитные нанокомпозиты

Нанокомпозиты, которые могут реагировать на внешний стимул, вызывают повышенный интерес в связи с тем, что из-за большого количества взаимодействия между фазовыми интерфейсами ответ на стимул может иметь большее влияние на композит в целом. Внешний стимул может принимать разные формы, например магнитное, электрическое или механическое поле. В частности, магнитные нанокомпозиты полезны для использования в этих приложениях из-за природы способности магнитного материала реагировать как на электрические, так и на магнитные стимулы. Глубина проникновения магнитного поля также высока, что приводит к увеличению площади воздействия на нанокомпозит и, следовательно, к увеличению отклика. Чтобы реагировать на магнитное поле, матрица может быть легко загружена наночастицами или наностержнями. Различные морфологии магнитных нанокомпозитных материалов обширны, включая наночастицы с дисперсией в матрице, наночастицы ядро-оболочка, коллоидные кристаллы, макромасштабные сферы или наноструктуры типа Януса. .

Магнитные нанокомпозиты могут использоваться в большом количестве приложений, включая каталитические, медицинские и технические. Например, палладий является обычным переходным металлом, используемым в реакциях катализа. Комплексы палладия на магнитных наночастицах могут быть использованы в катализе для повышения эффективности палладия в реакции.

Магнитные нанокомпозиты также могут быть использованы в области медицины, при этом магнитные наностержни, встроенные в полимерную матрицу, могут способствовать более точной доставке и высвобождению лекарств. Наконец, магнитные нанокомпозиты можно использовать в высокочастотных / высокотемпературных приложениях. Например, можно изготавливать многослойные структуры для использования в электронных приложениях. Электроосажденный многослойный образец оксида Fe / Fe может быть примером такого применения магнитных нанокомпозитов.

Термостойкие нанокомпозиты

В последние годы были разработаны нанокомпозиты, способные выдерживать высокие температуры, за счет добавления углеродных точек (CD) в полимерную матрицу. Такие нанокомпозиты можно использовать в средах, где высокая термостойкость является главным критерием.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Кумар, СК; Кришнамурти, Р. (2010). «Нанокомпозиты: структура, фазовое поведение, свойства» . Ежегодный обзор химической и биомолекулярной инженерии . 1 : 37–58. DOI : 10,1146 / annurev-chembioeng-073009-100856 . PMID 22432572 .

Languages

In other projects