Материал: Нанокомпозитные материалы

Нанокомпозитные материалы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Северо-Кавказский горно-металлургический институт

(Государственный Технологический Университет)

Кафедра Электронных приборов

Факультет Электронной техники

РЕФЕРАТ

"Нанокомпозитные материалы"

Выполнила: ст.гр. ЭМб-12-3 Чибирова З.И.

Проверил: преп. Кодзасова Т.Л.

Владикавказ 2015

Содержание

Введение

1. Общие закономерности строения композитных наноматериалов

2. Виды нанокомпозитных материалов

3. Наноструктурированные пленки и покрытия

4. Применение нанокомпозитных материалов

5. Метаматериалы

Заключение

Список использованных иточников

Введение

1. Общие закономерности строения композитных наноматериалов

Новый класс композиционных материалов, так называемые нанокомпозиты, появился относительно недавно. Структура композитных наноматериалов характеризуется наличием второй фазы, размеры частиц которой составляют несколько (1-100) нанометров.

Основные структурные параметры наночастиц - их форма и размер. Физические, электронные и фотофизические свойства наночастиц и кластеров, определяемые их чрезвычайно высокой удельной поверхностью (отношением поверхности к объему), значительно отличаются от свойств как блочного материала, так и индивидуальных атомов. Например, если размер кристалла золота уменьшается до 5 нм, температура плавления снижается на несколько сотен градусов. Свойства конечного нанокомпозиционного материала зависят от природы взаимодействия между фазами и строения межфазных областей, объемная доля которых чрезвычайно велика.

В настоящее время наиболее широко используются следующие виды наноразмерных наполнителей композитных наноматериалов:

Углеродные нанотрубки и нановолокна, включая простые, двойные и многостеночные нанотрубки; простые и графитизированные нановолокна и вискерсы, а также нанотрубки с привитыми слоями и функциональными группами.

На рынке представлены различные виды относительно длинных (5-30 мкм), обычно - взаимопереплетенных нанотрубок и нановолокон (диаметром 1-20 нм), а также короткие легко диспергируемые в различных средах нанотрубки и нановолокна длиной 0,5-2 мкм и диаметром 20-50 нм.

Рисунок 1 - Металлические, оксидные и гидроксидные нанотрубки

Наиболее распространенными видами подобных нанонаполнителей являются следующие: B₄C, BN, LaF₃, SiC, TiS₂, MoS₂, ZrS₂. Длина нанотрубок этого типа составляет от 3 до 30 мкм, внешний диаметр 25-100 нм, внутренний диаметр 10-80 нм. Кроме того, на рынке представлены нанотрубкиследующих оксидов и гидроксидов металлов: Y₂O₃, MgO, TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, BaTiO₃, SrTiO₃, K₂Ti₆O₁₃, CaSnO₃, BaSnO₃,CuO, La₂O₃ , Ni(OH)₂ и др, имеющие длину 0,2 -20 мкм, внешний диаметр 40-200 нм, внутренний диаметр 15-150 нм.

Геометрическая форма наноразмерных частиц наполнителя может быть самой разнообразной. Термины, описывающие эту форму появляются в литературе спонтанно и, в настоящий момент, общепринятыми можно считать только термины "протяженные" и "короткие" нановолокна и нанотрубки и "наносферы". Другие определения формы, такие как "нанозвездочки", "нанорифы", "наноящики" и.т.д. - носят субъективный описательный характер. Большинство наноразмерных наполнителей - состоят из неорганических наночастиц (оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т.д.). Они входят в состав различных нанокомпозитов независимо от природы материала матрицы. Несовместимость компонентов композита представляет собой основную проблему, которую приходится преодолевать при создании композитных материалов, однако в случае нанокомпозитов эта проблема стоит не так остро, в силу особых свойств поверхности наноразмерных частиц наполнителя и высокой поверхностной энегрии нанонаполненных композиционных систем, что приводит к значительно более интенсивному взаимодействию компонентов при формировании структуры композита. Тем не менее, при получении композитных наноматериалов - чрезвычайно важно контролировать в них степень диспергирования частиц наполнителя.

В зависимости от содержания наноразмерных частиц наполнителя, можно рассмотреть три группы нанокомпозитов. К первой - относятся композиционные материалы, армированные за счет введения в их состав нановолокон (вискеров); содержание наполнителя в таких материалах составляет 10-40 масс.% и они, по содержанию наполнителя, аналогичны традиционным композитам армированным волокнами. Впрочем, эффект упрочнения в них достигается не только за счет армирования волокнами, но и благодаря влиянию наноразмерных частиц наполнителя на структуру и свойства материала матрицы. Подобные материалы относятся к второй группе нанокомпозитов, которые называют дисперсно-упрочненными или наноструктурированными. При этом эффект упрочнения достигается даже при очень низких содержаниях наночастиц наполнителя (1-5 масс.%), более того, композит приобретает совершенно новые функциональные свойства. Введение таких количеств наноразмерного наполнителя оказывается достаточным, чтобы существенно изменить такие важные физические свойства, как каталитическая активность в химических реакциях, магнитные и электромагнитные свойства. Ограниченный круг материалов, разработка которых пока еще не вышла за лабораторные рамки, не позволяет привести сведения о практических путях их получения.

В группу дисперсно-упрочненных композизитов входят, главным образом, материалы на основе металлических матриц (алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы), где в качестве дисперсных частиц выступают окислы. В случае использования нанодисперсных частиц сферической формы, анизотропии свойств в получаемых материалах практически не возникает. Однако, в материалах, структурированных за счет введения чешуйчатых или волокнистых нанокристаллов, анизотропия свойства является неотъемлимой характеристикой, поскольку традиционные технологические приемы формования композиционных изделий (горячее прессование, экструзия, шликерное литье под давлением)неизбежно приводят к ориентации частиц наполнителя, имеющих вытянутую форму.

Увеличение механических свойств в дисперсно-упрочненных материалах может быть связано с двумя эффектами. Во-первых, интенсивное взаимодействие частиц наноразмерного наполнителя с материалом матрицы стимулирует в расплаве возникновение значительно большего числа центров кристаллизации (зародышей кристаллизации), что, в конечном итоге, приводит к формированию материала со значительно более высокой степенью кристалличности (в случае полимеров) или же к образованию металла, имеющего значительно более мелкокристаллическую структуру. Последнее, как известно, способствует более высокой механической прочности материала. Во вторых, вытянутый характер наночастиц, имеющих чешуйчатую и волокнистую форму, приводит к возникновению в материале, твердеющем при охлаждении, ассиметричных полей напряжений.

Распределение механических напряжений в пространстве вокруг тактоида присутствие которых приводит к образованию в структуре матрицы ориентированных кластеров, сиботаксических групп и, в случае полимерматричных нанокомпозитов - ориентированных кристаллических группировок макромолекул.

Основной механизм упрочняющего действия в таких композиционных материалах связан с повышением сопротивляемости матрицы деформациям под действием нагрузок. Величина возрастания прочностных характеристик относительно невелика. Однако большую ценность этим материалам придает их способность работать при повышенных (по сравнению с чистыми металлами и полимерами) рабочих температурах, превышающих половину абсолютной температуры плавления или фазового превращения.

Некоторые из таких композиционных материалов обладают интересными свойствами. Так, композиционный материал на основе меди и окиси бериллия сохраняет более 80% электрической проводимости при комнатной температуре даже после 2000 ч выдержки при 850^оС, будучи при этом более прочным, чем медь и ряд ее сплавов. При восстановлении окиси никеля, содержащего дисперсную двуокись тория (3%), получается материал, известный под названием TD-никель, который обладает значительно более высокой длительной прочностью при температуре 1090^оС по сравнению со сверхпрочными сплавами никеля (инконель и хастеллой).

Рисунок 2 - Композиционные материалы - изотропный и ориентированный

Заметим, в 80-х годах начали получать и молекулярные композиты, в которых сегменты из жестких цепей в принципе не могут образовать отдельную фазу.

. Виды нанокомпозитных материалов

Оказалось, что в зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на три категории.

·        Нанокомпозиты на основе керамической матрицы можно определить как керамический материал, получаемый спеканием глин или порошков неорганических веществ, размеры кристаллитов которых имеют размеры менее 100 нм. Отдельные образцы нанокерамики - прочной, хорошо проводящей тепло и стойкой к резкому перепаду температур можно уже сейчас увидеть на нагреваемой поверхности домашней электроплиты. В дальнейшем можно ожидать широкого применения подобных систем в различных технических системах.

·        Слоистые нанокомпозиты. Их тоже создают на основе керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит или вермикулит, которые встречаются, например, в глинах.

·        В нанокомпозитах на основе металлической матрицы, так называемым усиливающим материалом (нанокомпонентом) часто служат углеродные нанотрубки, повышающие прочность и электрическую проводимость.

·        Полимерные нанокомпозиты содержат полимерную матрицу с распределенными по ней наночастицами или нанонаполнителями, которые могут иметь сферическую, плоскую или волокнистую структуру.

·        Нанопористые материалы можно рассматривать как нанокомпозитные, в которых поры играют роль второй фазы, случайно или закономерно распределенной в матрице. Однако есть несколько физических причин для того, чтобы их выделить в отдельный класс материалов. Наличие большого числа мелких пор или каналов (их поперечный размер может колебаться от 0,3…0,4 нм до единиц микрометров) придает нанопористым материалам ряд особых физических свойств.

Но с какой целью мы вообще заинтересованы в развитии данных структур? Скорее всего, непосредственно для улучшения каких-то свойств. С этой стороны дела нам необходимо рассмотреть их.

Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические, каталитические свойства нанокомпозитов отличаются в зависимости от составляющих материалов. Ограничение по масштабу для этих эффектов оценивается следующим образом: менее 5 нм для каталитической активности, менее 20 нм для перехода магнитожесткого материала в мягкий, менее 50 нм для изменения индекса рефракции, и менее 100 нм для достижения суперпарамагнетизма, механической прочности или ограничения сдвигов в структуре композита.

Далее рассмотрим свойства отдельных классов нанокомпозитов с целью более подробного ответа на возникший вопрос.

Нанокомпозиты на основе полимеров и керамик сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления.

Слоистые нанокомпозиты. За счет высокого аспектного отношения этих наполнителей можно повысить механические свойства полимеров, их теплостойкость, огнестойкость, а также барьерные свойства без существенного ущерба для прозрачности, жесткости или же ударопрочности.

Свободная и доступная для взаимодействия с газами и жидкостями поверхность нанопористых материалов на основе может превышать таковую в сплошных твердых телах на порядки величин и быть больше 1000 м²/г. Это ведет к улучшению условий для гетерофазных химических и каталитических реакций, увеличению сорбционной емкости и т.п. При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.

3. Наноструктурированные пленки и покрытия

композитный наноматериал матрица полимерный

Одним из важнейших направлений развития нанокомпозитов является получение и исследование многослойных пленок и покрытий, периодической структуры нано уровня. Получение таких веществ возможно за счет периодического нанесения индивидуальных тонких слоев нескольких материалов (обычно тугоплавких соединений, нитриды, оксиды, карбиды и пр.). При этом структуре наноматериала увеличивается доля межфазных поверхностей относительно общего объема границ раздела. Вследствие этого материал приобретает новые свойства, такие как препятствие, распространению дислокаций и трещин, увеличение твердости. Подобные материалы имеют двухмерную наноструктуру (нано-микро), т.е. толщины слоев находятся на нано уровне, а общая толщина может достигать сотен микрометров.

Большая часть работ в области многослойных тугоплавких наноструктурированных покрытий и пленок посвящена исследованию структуры, повышению твердости, а так же увеличению эффективности нанесения. Как уже говорилось выше, для создания твердых тугоплавких композитов необходимо обеспечить точное расположение слоев, их очередность и толщину, а так же ориентацию относительно подложки (параллельно, вертикально, под углом и пр.). Для обеспечения этого требования используются современные и точные методы, в частности вакуумно-дуговое распыление с фильтрацией частиц, а так же магнетронное распыление в среде химически активного газа (реактивного газа), например, азота, кислорода или метана.

Принцип действия магнетронной распылительной системы состоит в следующем. Вся система, которая состоит из подложки и магнетрона или их комбинаций в большем количестве, находится вакуумной камере. Вакуум необходим для создания низкотемпературной плазмы, которая подобна, тлеющему разряду в лампах дневного света. Магнетрон состоит из корпуса, в котором размещены либо электропроводящая обмотка (катушка), либо система из постоянных магнитов. Все это необходимо для создания магнитного поля над поверхностью мишени. Мишень представляет пластину или полый цилиндр из материала, который необходим для создания покрытия. Далее, для того чтобы распылить вещество с мишени необходимо подключить ток к магнетрону и подложке. Очень часто магнетрон выступает в роли катода (отрицательный потенциал), а подложка в виде анода (положительный потенциал). Далее, в вакуумную камеру, при низком давлении менее 1 Па, обычно 0,2 Па, подается плазмообразующий газ аргон (Ar). В результате действия магнитного и электрического полей с мишени, под воздействием ионов аргона начинают выбиваться ионы металла и под действие электрического поля они стремятся к подложке. На пути ионов к подложке встречаются ионы реактивного газа (для покрытия TiN/AlN - азот N2), который подается в камеру при неизменном давлении 0,2 Па. Взаимодействуя с ним ионы металла, образуют соединение (для покрытия TiN/AlN - нитрид титана и нитрид алюминия), в дальнейшем эти соединения осаждаются на подложке.