Области применения наноматериалов

Обзор перспективных материалов с позиции эффективного потребления в будущем.

Роль новых материалов с каждым годом возрастает. По оценке американских экспертов в ближайшие 20 лет 90% современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях техники. За последние годы в США стали использоваться тысячи марок новых и новейших материалов.

Существуют конструкционные и функциональные новые материалы, к последним относят:

- аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, после чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физико-механических и химических свойств;

- «интеллектуальные » или «умные» материалы, характерной особенностью которых является способность запоминать, отслеживать и возвращать деформацию и форму конструкции;

- интерметаллические материалы;

- композиционные материалы на металлической, полимерной или углеродной матрице;

- ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный размер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона;

- алмазноподобные сверхтвердые пленки;

- функционально-градиентные покрытия и др.

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. В ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Большое число технологических методов обработки и технологических процессов (например, реактивная и инжекционная формовка, экструзия, сверхпластичная формовка, высокоскоростное охлаждение, порошковая металлургия, лазерные технологии, высокоэнергетическое ионноплазменное напыление и другие) интенсивно развивались в последние годы и в начале XXI века будут определять рынок высокотехнологичного оборудования.

О тенденциях развития мирового рынка новых материалов с 1980 по 2000г. свидетельствуют данные таблицы 30-31, которыми подтверждаются преобладающие темпы роста новейших материалов по сравнению с традиционными.

Вклад новейших конструкционных и функциональных материалов в стоимость перспективных видов вооружений и глубоководной техники составляют от 40 до 85%. Они являются опорной базой модернизации электроники, подводных лодок и новых типов кораблей и судов, ракетно-космической техники и авиации.

Таблица 30

Прогноз развития мирового рынка новых материалов

Таким образом, не вызывает сомнения тесная связь между использованием новых материалов и конкурентной способностью промышленной продукции. Уровень разработки новых материалов в различных странах мира, составленный по данным экспертов США и стран Западной Европы, приведен в таблице 31.

Таблица 31

Относительный уровень разработки новых материалов

Особый класс новых материалов – наноструктурные материалы. На которых остановимся подробнее, так как их интенсивные разработки ведут и в Казахстане.

Наноструктурные материалы создаются с использованием нанотехнологий и обладает рядом уникальных свойствам. К этому классу относят материалы с размером структурных элементов менее 100нм.

По геометрическим признакам структурные элементы наноматериалов можно разделить на:

- нольмерные атомные кластеры и частицы;

- одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры (квантовые проводники, нанотрубки тонкие пленки);

- трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

В настоящее время широко используются следующие типы наноматериалов: нановолокна и нанотрубки, нанопленки и нанопокрытия, нанодисперсии и начинают получать все большее применение объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм).

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Первые исследования наноматериалов показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии. У наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону ее уменьшения.

По мере того как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности. Так как доля поверхностных атомов в наноматериалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний. Развитая поверхность оказывает влияние как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Поведение наноматериалов определяется процессами на границе частиц или зерен. Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые влекут за собой изменения физических свойств, по сравнению с массивными материалами. Если считать, что зерна имеют сферическую форму, и полагать, что толщина слоя 1нм (это соответствует 2-3 атомным слоям для большинства металлов), то получаются следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:

Диаметр зерна (частицы), нм……………… 100 50 25 20 10 6 4

Объемная доля поверхностного слоя,%....... 6 12 24 30 60 100 150

Обладая развитой поверхностью, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой, прежде всего это касается металлических наноматериалов.

Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорошков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки.

Области применения наноматериалов

Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. Но некоторые наноматериалы уже доступны на рынке.

Одним из первых применений наноматериалов можно считать использование коллоидов. Давно применяются вещества, содержащие ультрадисперсные частицы, как аэрозоли, красящие пигменты, окрашивающие стеклоколлоидные частицы металлов.

В генной инженерии наноматериалы используются для доставки биологически активных веществ в клетки.

Часто основанием применения наноматериала становится какое-либо одно свойство. Так, керамические материалы, содержащие нанокристаллические частицы металла используют для поглощения электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн. Суспензии частиц железа с размерами от 30нм до 1-2мкм в смазочном масле восстанавливают изношенные детали (не прерывая работы)двигателя.

В настоящее время они широко используются в микроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов (чему способствует огромная, порядка 5 * 10⁷ м^-1 удельная поверхность на но порошков).

В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсного порошка UO₂, в термоядерной технике из ультрадисперсного порошка бериллия изготавливают мишени для лазерно-термоядерного синтеза.

Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий.

Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов, существенно превосходя по служебным свойства традиционные материалы.

Полученные плазмохимическим способом ультрадисперсные порошки металлов с включениями карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала полупроводников и диэлектриков.

В медицине ультрадисперсные порошки применяют для защиты персонала от рентгеновского излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с ультрадисперсным порошквым свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрою усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т. п.).

В военном деле ультрадисперсные порошки применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок «Стеле», в новых видах взрывного оружия.

В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника.

Трубчатые углеродные нановолокна и фуллерены перспективны для армирования композиционной «суперброни» для танков и бронежилетов.

На коммерческий рынок давно уже вышли не только металлические, но и неметаллические наноматериалы, такие, как оксиды кремния и железа, а оксиды алюминия, титана, сурьмы и др. на этот рынок выходят. Стали уже доступны некоторые карбиды с размером частиц 20...200 нм.

Таким образом, наноматериалы, имея наноразмерные структурные составляющие (зерна, частицы), характеризуются уникальными характеристиками (удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др.). Особая роль в поведении наноматериалов принадлежит процессам, происходящим на поверхностях и границах.

В зависимости от области применения и требуемых свойств выбирают метод получения наноматериалов (химический, физический, механический и биологический).

Поскольку материалы являются стимулом для созданий новых технологий, а новая технология порождает новый материал или удешевляет известный, то существующая взаимосвязь материала и технологий их получения, обязательно учитывается при выборе наноматериала. Более того, развитие нанотехнологий определяет выбор наноматериалов конкретного назначения.