CC BY
139
Э. М. Муртазина
НАНОКОМПОЗИТЫ В КОНТЕКСТЕ ЗАРУБЕЖНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ
Ключевые слова: нанокомпозиты; нановолокна; наноразмерные структуры; увеличение
жесткости.
В статье рассматриваются положительные моменты и проблемы развития наноструктурированных материалов с новыми материальными свойствами. Данная статья написана как обзор зарубежных источников по проблеме нанокомпозиционных материалов и нанотехнологий.
Key words: nanocomposites; nanofibers ; nanoscale structures; reinforcement of stiffness.
This paper provides an overview of recent advances in studying and developing nunostructured materials with new properties basing on literary sources in English.
Стремительное развитие исследований в области композиционных материалов обусловлено произошедшими в 80-е годы XX века широкомасштабными социальными изменениями, вызвавшими спрос и повлиявшими на возникновение технологий получения композитов с металлической матрицей; композитных материалов, упрочнённых графитовыми волокнами; упрочненных композиционных материалов на основе карбида кремния; а также керамики с волокнистым наполнителем. Одним из первых в 1985 г. о них написал профессор А.Келли в журнале Composites Science and Technology [1]. В последующие два десятилетия произошло беспрецедентное развитие [2] многих направлений исследований и технологии получения композиционных материалов. Последние достижения в получении наноструктурированных материалов с новыми свойствами стимулировали исследования по созданию многофункциональных макроскопических конструкционных материалов.
Нанотехнология в широком смысле слова определяется как «создание, технология изготовления, составление спецификации и использование материалов, приборов и систем с размерами порядка 0,1 - 100 нм, проявляющих новые и значительно усиленные физические, химические и биологические свойства вследствие их нанометровых размеров» [3]. В настоящее время интерес к нанотехнологии привел к возникновению нанобиотехнологии, нано-систем, нано-электроники и нано-структурированных материалов, среди которых нанокомпозиты составляют важную часть.
Предполагается, что с развитием нанотехнологии наноструктурированные материалы будут разрабатываться с помощью методологии восходящего проектирования. «Все больше материалов и продуктов будут получать по восходящему принципу, то есть строя их, начиная с атомов, молекул и нано-размерных порошков, волокон и других маленьких структурных компонентов, сделанных из них. Это отличается от всех ранее применявшихся способов производства, при которых сырье прессовали, резали, формовали и каким-то иным способом насильно превращали его в детали и изделия» [4].
Далее мы произведем небольшой экскурс по публикациям зарубежных авторов, где они акцентируют внимание на наиболее значимых, по их мнению, достижениях и проблемах разработки наноматериалов и нанотехнологии.
Дисперсные композиты, усиленные частицами микронных размеров из различных материалов, являются наиболее часто используемыми композитами среди материалов повседневного использования. Частицы обычно добавляются, чтобы усилить модуль эластичности матрицы. При уменьшении размеров частиц до нанометровой шкалы можно получить новые свойства материала.
Частицы микронных размеров рассеивают свет, иначе прозрачная матрица становится матовой. Наганума и Кагава [5] показали в своем исследовании БЮ2/эпокси композитов, что уменьшение размера частиц приводит к значительному увеличению коэффициента пропускания видимого света. Сингх и другие [6] изучали изменение изломостойкости полиэфирной смолы вследствие добавления частиц алюминия диаметром 20, 3,5 и 100 нм.
Лопез и коллеги [7] изучали модуль эластичности и прочность композитов на основе сложного винилового эфира с добавлением 1, 2 и 3 весовых процентов частиц алюминия с размерами 40 нм, 1 лм и 3 лм. Для всех размеров частиц модуль композита увеличивается монотонно в соответствии с весовыми фракциями частиц. Однако прочность всех композитов ниже прочности чистой смолы из-за неравномерного распределения размеров частиц и агрегации частиц.
В работе Томпсона и его коллег [8] по металооксидным/полиимидным нанокомпо-зитным пленкам также отмечаются подобные трудности обработки. В их работе использовались олово-сурьмяные оксиды (11-29 нм), оксид индия и олова (17-30 нм) и оксид ити-рия (11-44 нм) в двух износоустойчивых полиимидах: ТОЯ-КС и ЬаЯС ТМСР-2. Нанораз-мерные добавки приводят к увеличению жесткости, сравнимому или ниже прочности и удлинения, и более низкой динамической жесткости (модуль хранения).
Аттт и другие [9] изучали механическое поведение композитов на основе корпускулярных полиметил метакрилатов алюминия. Они пришли к заключению, что когда существует слабый интерфейс частица/матрица, режим податливости стекловидных, аморфных полимеров меняется с кавитационного на сдвиговый, что приводит к переходу от хрупкости к эластичности. Такое поведение обусловлено увеличением мобильности полимерной цепи вследствие присутствия более мелких частиц, а также способностью ослаблять трехосное напряжение, вызванное плохо связанными частицами большей величины.
Обширный обзор отношений структура-свойство в термопластических композитах наночастица/полу-кристал дан в работе Каргера-Коксиса и Занга [10].
Файнеган и коллеги [11,12] изучили техническую обработку и свойства нанокомпозитов на основе углеродистого нановолокна/полипропилена. В своей работе они использовали целый ряд выращенных нановолокон. Углеродистые нановолокна, которые были полученные в процессе более длительной газовой фазы обработки сырья, были менее графитовыми, но лучше приклеивались к полипропиленовой матрице, причем композиты проявляли улучшенную прочность на разрыв.
Окисление углеродного нановолокна, как оказалось, усиливает прилипание к матрице и увеличивает прочность на разрыв композита, однако увеличенный период окисления ухудшает свойства волокон и их композитов. Фениган и другие [12] пришли к выводу, что тенденция к изменению жесткости в зависимости от объема волокна является противоположной тенденцией относительно потери фактора и демпфирования в композитах с доминированием матрицы.
Ma и сотрудники [13], а также Сандлер и коллеги [14] скрутили полимерные волокна, используя в качестве упрочнения углеродистые нановолокна. Предел прочности при сжатии и скручивающий модуль нанокомпозитных волокон были значительно выше, чем для волокон без упрочнения.
Углеродистые нанотрубки изготавливаются с использованием различных технологий [15]. Морфология нанотрубок обладает значительной степенью изменчивости.
Эластические и прочностные свойства нанотрубок хорошо изучены как аналитически, так и экспериментально. Киан и коллеги [16] , а также and Сривастава и коллеги [17] показывают вариативность результатов, полученных в результате аналитического прогнозирования, а также экспериментальных измерений
Указанные авторами положительные моменты в развитии наноструктурированных материалов с новыми материальными свойствами стимулируют исследования в этой области, направленные на создание макроскопических композиционных материалов, разработку наноразмерных структур [18]. Прежде, чем эти новые свойства смогут полностью воплотиться в макроскопических композитах, потребуются значительные фундаментальные исследования. Изменение размеров упрочняющего армирования ставит новые задачи перед технологией изготовления, составлением спецификаций для этих соединений, а также требует дополнительного исследования механики процесса, так как взаимодействия теперь происходят в масштабе атома. Свойства наноструктурированных соединений зависят от структуры и размера. В конечном счете, понимание соотношения структуры и свойства позволит создавать наноразмерные многофункциональные материалы для технического применения, начиная со структурных и функциональных материалов, и кончая биоматериалами. Широкое применение нанокомпозитов также требует повышения масштабов производства. Наконец, есть потребность учета социальных последствий широкого применения нанотехнологии, неотъемлемую часть которой составляют нанокомпозиты.
Литература
1. Kelly A. Composites in context. Compos Sci Technol 1985; 23(3):171-99.
2. Kelley A., Zweben C., editors. Comprehensive composite materials, vols. 1-6. Elsevier; 2000.
3. American Ceramic Society (2004).
4. Nanotechnology: Shaping the World Atom by Atom. National Science and Technology Council Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology (1999). Available from: http://www.nano.gov.
5. Naganuma T., Kagawa Y. Effect of particle size on the optically transparent nano meter-order glass particle-dispersed epoxy matrix composites. Compos Sci Technol 2002;62(9): 1187-9.
6. Singh R.P., Zhang M., Chan D. Toughening of a brittle thermosetting polymer: effects of reinforcement particle size and volume fraction. J Mater Sci 2002;37(4):781-8.
7. Lopez L., Song B.M.K., Hahn H.T. The effect of particle size in alumina nanocomposites. In: Proceedings of the 14th international conference on composite materials (ICCM-14), San Diego; 2003, Paper no. 138a.
8. Thompson C.M., Herring H.M., Gates T.S., Connell J.W. Preparation and characterization of metal oxide/polyimide nanocomposites. Compos Sci Technol 2003;63(11):1591-8.
9. Ash B.J., Siegel R.W., Schadler L.S. Mechanical behavior of alumina/poly (methyl methacrylate) nanocomposites. Macromolecules 2004;37(4):1358-69.
10. Karger-Kocsis, J. Structure-property relationships in nanoparticle/semi-crystalline thermoplastic composites. In: Palta Calleja JF, Michler G, editors. Mechanical properties of polymers based on nanostructure and morphology. New York: Marcel Dekker Inc.; 2004.
11. Finegan I.C., Tibbetts G.G., Glasgow D.G. Surface treatments for improving the mechanical properties of carbon nanofiber/thermoplastic composites. J Mater Sci 2003;38(16):3485-90.
12. Finegan I.C., Tibbetts G.G., Gibson R.F. Modeling and characterization of damping in carbon nanofiber/polypropylene composites. Compos Sci Technol 2003;63(11): 1629—35.
13. Ma H.M., Zeng J.J., Realff M.L., Kumar S., Schiraldi D.A. Processing, structure, and properties of fibers from polyester/carbon nanofiber composites. Compos Sci Technol 2003;63(11):1617-28.
14. Sandler J., Windle A.H., Werner P., Altstadt V., Es M.V., Shaffer MSP. Carbon-nanofibre-reinforced poly (ether ether ketone) fibres. J Mater Sci 2003;38(10):2135-41.
15. Thostenson ET, Ren ZF, Chou TW. Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review. Compos Sci Technol 2001;61(13): 1899—912.
16. Qian, D. et al. Mechanics of carbon nanotubes. Appl Mech Rev 2002;55:495-530.
17. Srivastava D., Wei C., Cho K. Nanomechanics of carbon nanotubes and composites. Appl Mech Rev 2003;56(2):215-30.
18. Колпаков, М.Е. Синтез и результаты исследования наноразмерных частиц железа / М.Е. Колпаков, А.Ф. Дресвянников, Е.В. Пронина, Т.З. Лыгина, В.А. Гревцев, В.В. Власов // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2008. - № 6. - С. 31-40.
© Э. М. Муртазина - канд. пед. наук, доц. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КГТУ, [email protected].
