Билет 17 Вопрос 2 – Получение наноструктурных гетерогенных сред гранулированные нанокомпозиты, многослойные наноструктуры.

В самом общем случае композит это искусственный материал (среда), объединяющий в себе несколько фаз, с принципиально различными физическими свойствами определяющими макроскопические свойства композитов вцелом.

Если подходить более строго, то композиционными называются материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:

1) материал не встречается в природе, а создан искусственно;

2) материал состоит из двух или более компонентов (фаз), принципиально различающихся как по химическому составу, так и по физическим характеристикам и разделенных четко выраженной межфазной границей;

3) свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые в связи с этим должны присутствовать в материале в достаточно больших количествах (больше некоторого критического содержания); Поэтому, например, инженерные пластики, содержащие помимо полимера малые количества пластификаторов, красителей и ультрафиолетовых стабилизаторов, данному определению не удовлетворяют и, следовательно, композитами не являются.

4) материал обладает такими служебными свойствами, которых не имеют его компоненты, взятые в отдельности;

5) материал является неоднородным в микромасштабе и однородным в макромасштабе.

Последний признак предполагает тот факт, что любые произвольно выбранные элементарные образцы композиционного материала, т. е. такие образцы, все размеры которых существенно превышают минимальные размеры компонентов материала, должны иметь в среднем один и тот же химический состав. Таким образом, композиционные материалы характеризуются «повторяющейся» геометрией или равномерным распределением компонентов по отношению друг к другу. Этот признак позволяет исключить из класса композиционных материалов биметаллы, детали с покрытиями, сотовые изделия и т. п., являющиеся скорее конструкциями, чем материалами. Этот же признак позволяет уточнить понятие элементарного образца композиционного материала — такого минимального объема материала, который характеризуется всем комплексом определяющих его признаков.

6) состав, форма и распределение компонентов материала «запроектированы» заранее;

В самом первом приближении все материалы можно разделить на две большие группы конструкционные и функциональные.

К конструкционным относят те из них, что предназначены для изготовления изделий. Основным назначением таких материалов является сопротивление внешним воздействиям (термическим, механическим нагрузкам и т.п.). Соответственно, основным свойством, требуемым от такого материала, является механическая (конструкционная) прочность.

В тех же случаях, когда от материала требуется выполнение некой функции -например, обладание памятю формы, высокая поглощательная способность электромагнитного излучения, сочетание высокой магнитной проницаемости и высокого удельного электросопротивления, нелинейной электропроводности, сверхпроводимости и тому подобное -материал называется функциональным. Соответственно, от него требуется определенный уровень какого-либо одного или комплекса нескольких физических свойств.

Все это в полной мере относится и к композиционным материалам.

Нанокомпозиты металл- диэлектрик:

В таких композитах механические свойства отходят на второй план. Наибольший интерес представляют физические свойства. А свойства эти зачастую уникальны вследствие нанометровых размеров элементов, формирующих эти композиты.

Состоят из двух фаз проводящей и непроводящей, Размеры единичных фазовых образований нанометры – отсюда и название.

Грубо можно выделить два типа нанокомпозитов отличающихся материалом непроводящей фазы:

Нанокомпозиты на основе полимеров и нанокомпозиты с керамической (оксидной или галогенидной) матрицей.

Нанокомпозиты на основе полимеров – композиционные материалы с размерами частиц металлической фазы, намного меньшей, чем длина волны видимого света (~ 400 – 760 нм). Реально размеры частиц в нанокомпозитах могут достигать даже единиц или нескольких десятков нанометров. Примерами могут служить галогениды переходных металлов в матрице из полиэтилена или полипропилена (TiCl₃-ПЭ, VCl₃-ПП и.т.п.), трифторпропан-металл (Mo, Cu, Au).

Метод получения – раздельное изготовление наночастиц проводящей (металлической) фазы и размешивание с полимерной или органической матрицей.

Одна из основных проблем этих композитов - обеспечение однородности металлических частиц по размерам и равномерное (однородное) распределение частиц в объеме композита.

Нанокомпозиты с керамической (оксидной или галогенидной) матрицей(гранулированные нанокомпозиты):

Металлическая фаза: чистые металлы -Co, Fe, Ni, Au, Ag, Pt, Pd

сплавы – CoFe, FeNi, CoFeB, CoFeZr,

Известны следующие типы оксидов, с которыми получены гранулированные композиты (SiO₂, Al₂O₃, MgO₂, PbO₂, HfO₂, MgF₂, СaF₂). Естественно, что подавляющее число гранулированных композитов получено с диэлектрической матрицей типа SiO₂, или Al₂O₃. Это хорошие изоляторы (удельное сопротивление ~ 10¹⁶-10¹⁸ Ом см), а кроме того, эти оксиды образуются гораздо легче, и оказываются более устойчивыми относительно прочих диэлектриков.

В англоязычной литературе нанокомпозитыс керамической матрицей часто называются, керметами (cermet).