1
Наноматериалы в строительстве и машиностроении
Тупицына Елизавета Владимировна
Аннотация
Нанотехнологии активно проникают в нашу жизнь.
Всего десять лет назад такие разработки считались чем-то фантастическим, а сейчас они широко используются в самых различных отраслях.
Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Однако в настоящее время ученые ищут пути создания новых материалов, одновременно сочетающих в себе высокую прочность, пластичность и легкость структуры материала.
Ключевые слова
Наноструктурные материалы/ нанокомпозитные
материалы/кластеры/нанопленки/нанопокрытия/нанотрубки/нанобетон Annotation
Nanotechnology actively penetrates into our life.
Just about ten years ago such developments seemed something fantastic, and now they are widely used in the most various branches of working.
The use of modern structural materials is usually limited to the fact that increasing in strength leads to a decrease in ductility. However, nowadays, scientists are looking for ways to create new materials that simultaneously combine high strength, plasticity and lightness of the material structure.
Keywords
Nanostructured materials / nanocomposite materials / clusters / nanofilms / nanocoatings / nanotubes / nanocontainers
ВВЕДЕНИЕ
Нанотехнологии - это одно из ключевых направлений развития современных промышленности и общества, путь к управляемому синтезу молекулярных структур, призванный обеспечить получение объектов любого назначения не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью машин - сборщиков, оборудованных системами искусственного интеллекта.
Нанотехнологии в строительствепроявляются в основном в создании наноматериалов. Главным направлением в этой области является создание различных материалов со сложной структурой и уникальными прочностными или температурными свойствами. И уже в настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными физико - механическими характеристиками.
1. НАНОМАТЕРИАЛЫ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИХ УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
Впервые концепция наноматериалов была сформулирована в 80-х годах ХХ века Г.Глейтером, который ввел в научный обиход и сам термин - «наноматериал». К наноматериалам относят нанополупроводники, нанополимеры, нанопористые материалы, нанопорошки, многочисленные углеродные наноструктуры и супрамолекулярные структуры.
Факторами, определяющими уникальные свойства наноматериалов, являются размерные, электронные и квантовые эффекты образующих их кластеров, а также их очень развитая поверхность. Многочисленными исследованиями показано, что значительные и технически интересные изменения физикомеханических свойств наноматериалов (прочность, твердость и т.д.) происходят в интервале размеров частиц от нескольких нанометров до 100 нм. Однако в настоящее время уже получены многие наноматериалы с размером кристаллитов около 1-2 нм и менее. Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят «обычные» по многим параметрам. Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5 - 3 раза, его твердость больше в 50 - 70 раз, а коррозийная стойкость - в 10 - 12 раз.
2. СТРУКТУРА НАНОМАТЕРИАЛОВ
Существует несколько подходов к определению понятия «наноматериал».
Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствии с которыми материалы с характерным размеров структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм называют наноструктурными.
Второй подход в описании наноматериалов связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов, многочисленных поверхностей раздела. При этом наибольшее изменение свойств происходит в случае, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет более 50%.
Наноструктурное состояние твердых тел принципиально отличается от кристаллического или аморфного. На их основе можно создавать материалы с новыми механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Наноструктуры можно считать уникальным состоянием вещества, особенно перспективным для новых, потенциально очень полезных и востребованных материалов и изделий.
Особенностью наноматериалов является увеличение объемной доли границ раздела с уменьшением размера зерен или кристаллов. Экспериментальные исследования показали, что границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием высокой концентрации зернограничных дефектов. Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений. В то же время границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дефекты. Неравновесностьграниц зерен вызывает искажения кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери упорядоченности. Результатом является значительное повышение микротвердости.
Важным фактором, действующим в наноматериалах, является также склонность к появлению кластеров (скоплений атомов, молекул). Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, а также наличие сил притяжения между ними, часто приводят к процессам самоорганизации кластерных структур.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
В силу особенностей своей структуры наносистемы, как правило, являются термодинамически неравновесными. Обычно, когда речь идет о неравновесном метастабильном состоянии предполагается, что ему может соответствовать некоторое реально существующее равновесное состояние.
Особенность нанокристаллического состояния по сравнению с другими известными неравновесными метастабильными состояниями вещества заключается в отсутствии соответствующего ему по структуре и развитости границ равновесного состояния.
Наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий
Первая категория наноматериалов включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки).
Наноматериалы с большим числом структурных элементов или наноматериалы в виде микроизделий
Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с размеров в примерном диапазоне 1мкм-1мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги.
Наноматериалы с очень большим числом наноразмерных элементов
Третья категория представляет собой массивные наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы фактически являются поликристаллическими с размером зерна 1-100 нм.
В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.
В первый класс входят однофазные материалы, структура и (или) химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Они находятся в неравновесном состоянии. К таким материалам относятся, например, стекла.
Ко второму классу можно отнести многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.
Четвертая категория включает композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов из первой и второй категорий.
4. КЛАСТЕРЫ
Термин «кластер» происходит от английского «cluster» - скопление. В металловедении таким термином называют соединения, в которых атомы металлов образуют химическую связь между собой.
В основу классификации нанокластеров и наноструктур целесообразно положить способы их получения. Это определяет также разграничение на изолированные нанокластеры и нанокластеры, объединенные в наноструктуру со слабыми или сильными межкластерными взаимодействиями или взаимодействием кластера с матрицей.
В группу нанокластеров и наноструктур включаются твердотельные нанокластеры и наноструктуры, матричные нанокластеры и супрамолекулярные наноструктуры, кластерные кристаллы и фуллерены, компактированные наносистемы и нанокомпозиты, нанопленки и нанотрубки.
Молекулярные кластеры металлов - это многоядерные комплексные соединения, в основе молекулярной структуры которых находится окруженный лигандами остов из атомов металлов. Кластером считается ядро, включающее более двух атомов. Металлический остов представляет собой цепи различной длины, разветвленные циклы, полиэдры и их комбинации.
Молекулярные лигандные кластеры металлов образуются из металлокомплексных соединений в результате проведения химических реакций в растворе. Наибольшее распространение среди синтеза больших кластеров получили методы конденсации многоатомных кластеров и восстановление комплексов металлов. В качестве стабилизирующих лигандов используются органические фосфины.
Кластеры углерода относятся к категории кластеров с сильной атомной связью. Атомы углерода формируют кластеры легче, чем какой-либо элемент периодической системы, что подтверждается, например, повсеместным образованием сажи. Углерод является одним из наиболее распространенных во вселенной элементов после водорода, гелия и кислорода. Кроме того, это первый стабильный элемент, который возникает в процессе термоядерного синтеза, вовлекающего водород и гелий после «большого взрыва», положившего начало Вселенной.
Для получения кластеров углерода может быть использовано лазерное испарение углеродной подложки в потоке гелия. Пучок электронейтральных кластеров фотоионизируется ультрафиолетовым лазером и анализируется масс-спектрометром. На первой стадии происходит синтез углеродных структур в виде линейных цепочек из моноатомного потока плазмы. На второй стадии при достижении длины цепи до 10 и больше атомов линейные структуры замыкаются. Далее происходит последовательное сталкивание и соединение этих структур с образованием углеродных кластеров-зародышей. Когда количество кластеров-зародышей возрастает, они начинают сталкиваться, в результате чего происходит сборка больших кластеров с последующей кристаллизацией в молекулы фуллеренов.
5. ФУЛЛЕРЕНЫ
Фуллерен является четвертой аллотропной формой углерода (первые три - алмаз, графит, карбин). Молекула фуллерена содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые «запрещены» природой для неорганических молекул. В связи с этим следует признать, что молекула фуллерена является органической, а сам фуллерен представляет собой молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органической и неорганической материей. Этим он уже чрезвычайно интересен. Вероятно, в ближайшее время развитие физики конденсированного состояния будет идти в направлении изучения строения и свойств органических материалов.
Атомы в фуллеренах в составе замкнутой оболочки находятся в строго фиксированном количестве (как правило, четном). Эта форма существования элементарного углерода является, в отличие от других, молекулярной (единица ее структуры - молекула углерода).
В настоящее время наиболее эффективный способ синтеза фуллеренов - термическое разложение слоистой структуры графита на фрагменты, из которых затем формируются фуллерены. Для разложения графита используют как электрический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. Эти процессы проводят в буферном газе, в качестве которого обычно используют гелий. Основная роль гелия связана с охлаждением фрагментов, которые имеют высокую степень колебательного возбуждения, что препятствует их объединению в стабильные структуры.
Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяемую при объединении фрагментов.
6. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
Важное значение помимо фуллеренов имеют близкие по механизму образования наноразмерные углеродные трубки (УНТ). В 1991г. японский исследователь С. Иджима, рассматривая в электронном микроскопе сажу, полученную в результате распыления графита в плазме электрической дуги, обнаружил тонкие протяженные нити - цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров. Они состояли из одного или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых слоев, торцы которых закрывались полусферической головкой. Они были названы нанотрубками.
Нанотрубки можно рассматривать как частный случай наноматериалов, под которыми понимают объекты c размерами порядка 10 м хотя бы вдоль одной координаты. Диаметр нанотрубок отвечает этому требованию.
УНТ образуются в результате химических превращений углерода при высоких температурах. Можно выделить три основных способа их получения: электродуговое распыление графита, абляция графита с помощью лазерного или солнечного облучения и каталитическое разложение углеводородов.