Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

сти, УНТ упаковываются в плотные жгуты, состоящие из большого числа параллельно расположенных одиночных трубок, а фуллерены обладают крайне низкой растворимостью в связующих. С целью лучшего диспергирования модифицирующей добавки в матрице, а также для формирования ковалентных связей между матрицей и наночастицей, проводится функционализация наночастиц.

Разработан способ функционализации фуллеренов, в которых кроме функциональных групп к фуллереновому ядру присоединяется большое количество алкильных радикалов, что обеспечивает растворимость этих соединений в органических растворителях и, что существенно, в олигомер-полимерных средах. Получены производные с различными функциональными группами (гидроксильными, хлоргидринными, этоксисилильными), область применения которых широка – модификация эпоксидных связующих, силоксановых герметиков, полиуретанов и др.

Степень дисперсности наноструктур можно увеличить, используя интенсивное перемешивание, ультразвуковую обработку, химическую и физическую модификации поверхности углеродных наночастиц или комбинации перечисленных методов.

Детонационные наноалмазы (НА) являются высокоэффективным наполнителем эластомерных и полимерных нанокомпозиций. Главной особенностью технологии является обеспечение максимально равномерного распределения частиц НА в нужной форме в полимерной матрице. Использование НА приводит к увеличению начального модуля упругости и разрывной прочности нанокомпозитов. Наполнение НА эластомерной матрицы (каучуки, полисилоксаны, полиуретаны и др.) приводит:

–к увеличению условного напряжения и когезионной прочности резин в 1,5–2 раза;

–возрастанию сопротивления раздиру в 1,35–2 раза;

–увеличению эластичности на 50–70 %;

–уменьшению абразивного износа в 1,3–2 раза;

–снижению коэффициента трения в 1,3–5 раза;

–увеличению коэффициента морозостойкости на 50 % и т.д. Введение НА в полимерные матрицы (эпоксидная смола, поли-

амид, фторопласт и ПВС и др.) приводит:

211

•к усилению прочности на разрыв в 1,3–1,7 раза;

•увеличению эластичности в 1,3–2,1 раза;

•увеличению износостойкости вплоть до 4,6 раза;

•снижению коэффициента трения до 0,17;

5.3.2. Нанокомпозиты с керамической матрицей

Керамические наноматериалы широко используются для изготовления деталей, работающих в условиях повышенных температур, неоднородных термических нагрузок и агрессивных сред. Сверхпластичность керамических наноматериалов позволяет получать из них изделия сложной конфигурации с высокой точностью размеров, применяемые

ваэрокосмической технике. Нанокерамика на основе гидроксиапатита, благодаря своей биосовместимости и высокой прочности используется

вортопедии для изготовления искусственных суставови встоматологии.

По структуре керамические нанокомпозиты можно разделить на следующие виды (рис. 5.31, а):

Рис. 5.31. Схемы структур керамических композитов (а) и примеры микроструктур (б)

а) межзеренный композит, в котором нанокристаллиты второй фазы располагаются на границах микрозерен;

б) внутризеренный композит, где нанокристаллиты находятся внутри микрозерен;

212

в) внутри/межзеренный композит объединяет в себе две первых структуры;

г) нано/нанокомпозит, обе фазы по своей величине наноразмерны; д) нано/микрокомпозит.

В нанокомпозите с межзеренной структурой реализуется малая ползучесть при повышенных температурах, в композитах со вторым типом структуры – высокая прочность и трещиностойкость. На рис. 5.32 показана схема реализации получения микро/нанокомпозита на примере Al2O3-ZrO2 с применением коллоидной технологии: (а) – прекурсор ZrO2 и порошок оксида алюминия диспергируются в жидкой среде; (б) – после сушки порошок оксида алюминия покрыт слоем предшественника оксида циркония; (в) и (г) – в ходе термообработок образованный слой нарушается, и образуются зародыши наночастиц оксида циркония, которые растут на поверхности зерна оксида алюминия; (д) – ПЭМ-изображение такого порошка после термообработок, показывает наночастицы оксида циркония на поверхности частиц оксида алюминия; (е) – ПЭМ-изображение с высоким разрешением наночастицы оксида циркония на поверхности частицы оксида алюминия.

Рис. 5.32. Соединение оксида циркония и оксида алюминия с применением коллоидной технологии

Комбинирование углеродных нанотрубок с керамическими матрицами преследует обычно две цели: повышение трещиностойкости керамики и в случае керамики с низкой электропроводностью – придание композитному материалу достаточной электропроводности. Первая

213

цель достигнута не в полной мере, по-видимому, в силу ряда причин, среди которых – отсутствие технологических схем получения композитных материалов с заданной конфигурацией армирования (объемное содержание нанотрубок, однородность их распределения в матрице, сохранение структуры нанотрубок в процессе получения композита). В этой части ситуация примерна та же, что и в случае с композитами на основе полимеров. Здесь необходимы нестандартные подходы к технологии получения композитов. Примером может служить получение композитов с матрицей оксида алюминия через выращивание УНТ на порошке оксида алюминия с использованием катализатора.

Вторая цель достигается относительно просто: перкаляционный предел достигается при достаточно малом содержании нанотрубок в матрице в силу большого отношения длины нановолокна к его диаметру. Измерение электропроводности различных композитов с диэлектрической матрицей дали предсказуемые и обнадеживающие результаты. В частности, введение 10 об.% УНТ в шпинельную матрицу дает скачок проводимости на 10 порядков величины; примерно такое же содержание УНТ в матрице NiFe2O4 – скачок на 5 порядков, 16 об.% УНТ

внанокристаллической матрице оксида алюминия – гигантский скачок электропроводимости – 16 порядков величины.

Добавка углеродных нанотрубок и фуллеренов (в том числе, нановискеров углерода) в керамическую матрицу улучшает механические свойства керамики (обеспечивают повышение пластичности, снижение хрупкости). Так, добавление 0,25 мас.% углеродных нанотрубок (УНТ)

вкарбидкремниевую керамику приводит к увеличению прочности на

30 % и более (рис. 5.33).

Ученые из Китая приготовили композит на основе SiC, армированный УНТ, что привело к повышению прочности и трещиностойкости. Другие исследователи путем искрового импульсного спекания керами-

ки на основе Al2O3, армированной УНТ, добились увеличения трещиностойкости на 194 %, до 9,7 МПа/м2. На рис. 5.34 представлены зависимости микротвердости, коэффициента трения и потери массы от содержания в керамике УНТ.

Механизмы упрочнения композитов, армированных одностенными УНТ (ОУНТ), ведут к получению материала одновременно прочного и износостойкого. При этом не происходит разматывания и вытягивания нанотрубок, что является ключевым моментом в воз-

214

можности получения композита, обладающего и высокой трещиностойкостью, и высокой прочностью – нетипичная комбинация для керамических композитов.

в

Рис. 5.33. Изображение карбида кремния, армированного углеродными нанотрубками: a – SiC без армирования; б – 0,25 мас.% ОУНТ;

в – 0,50 мас.% ОУНТ

а б

Рис. 5.34. Зависимости микротвердости (а); коэффициента трения и потери массы композита Al2O3/УНТ (б) от содержания УНТ

215