Наноматериалы – терминология, классификация и их свойства

Машиностроение является одной из ведущий областей промышленности. Оборудование и машины, изготавливаемые на машиностроительных предприятиях, используются практически во всех других областях, таких как: медицина, сельское хозяйство, военное дело, кораблестроение, металлургическая промышленность, приборостроение, радиотехническая промышленность и т.д. Это только малая часть, где важную роль играет машиностроение. Для того чтобы не отставали другие отрасли промышленности, машиностроение должно быть всегда на шаг впереди, в 21 веке, это позволять сделать наноматериалы и нанотехнологии.

Не смотря на то, что о наноматериалах и нанотехнологиях впервые заговорили еще в середине 50-х годов прошлого века, данная область еще очень мала изучена, так же из-за малой осведомленности, многие путают понятия о наноматериалах, они представляют себе их в виде нанотрубок, фулеренов и т.д. Это в корне не верно, для того чтобы избавится от этой путаницы, введем термины, которые дадут более наглядное представление о материале, а дальше введем классификацию, которая так же позволит более четко представлять о чем идет речь.

В общедоступных источниках [4-5,9], авторы не разделяют такие понятия, как наноматериалы и наночастицы, а это как раз и вызывает у читателя путаницу. Основываясь на данных источниках, а так же на источнике [10], я предлагаю свой вариант классификации.

Наноматериал – это любой металлический и неметаллический материал, содержащий в себе наночастицы и обладающий качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Наночастицы – это элементы различной геометрической формы, главной отличительной чертой которых является то, что их размеры не превышают 100 нм в одном из трех измерений;

Нанотехнологии – это способы и методы подконтрольного создания наноматериалов и дальнейшая их интеграция в другие функциональные системы.

Наночастицы можно классифицировать по следующим показателям:

·      по форме и размеру;

·      по химическому составу.

Основываясь на источнике [7], в размерной классификации можно выделить два основных типа наночастиц:

1.    Первый тип наночастиц – это наночастицы у которых геометрический размер одинаковый во всех трех измерениях, но не превышающий 100 нм. Представителем такой формы наночастиц, является фуллерн, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1. Модель фуллерена [11]

2.    Второй тип наночастиц – это наночастицы с бесконечно протяженном размеров в одном пространственном направлении, но не превышающий 100 нм в двух других. Представителями такого типа наночастиц являются нанотрубки, представленные на рисунке 2.

  в)

Рисунок 2. Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а) «матрешка», б)«сверток», в) атомарная структура однослойной нанотрубки [4]

По химическому составу так же можно выделить два типа наночастиц:

1.    Органические;

2.    Не органические.

Первый тип наночастиц – это частицы в виде полой сферы, эллипса или трубы, которые состоят из связанных между собой пяти или шестиугольных колец, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Второй тип – это частицы, по форме и структуре похожие на органические, но отличающиеся тем, что в вершинах колец расположены атомы других химических элементов.

За основу классификации наноматериалов, мною были взяты источники[5,6].

Первая группа наноматрериалов – это наноматериалы в виде наноизделий, данная группа включает в себя материалы в виде твердых тел, пространственные размеры которых не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести нанопорошки, нановолокна, нанопроволоки и очень тонкие пленки. Данную группу определяет тот факт, что материал может содержать как один структурный элемент (нанопорошок), так и несколько в виде слоев (пленки). Другими словами – это группа материалов с малым количеством структурных элементов.

Вторая группа – это материалы в виде микроизделий в диапозоне размеров от 1 мкм до 1 мм, данная группа характеризуется значительным количеством структурных элементов и к ней относятся такие материалы как, проволока, ленты и фольга.

Третья группа представляет собой массивные (или иным словами объемные) наноматериалы, представляющее из себя изделия в макродиапозоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого количества наноразмерных элементов и на самом деле представляют собой поликристаллические материалы с размером зерна 1 ...100 нм.

И четвертая группа – это композиционные материалы, наполнителем для которых служат наночастицы, а так же материалы из первой и второй группы.

Перед тем как переходить к свойствам наноматериалов, из-за которых сейчас и происходит такое их интенсивное изучение, поговорим о факторах, которые их определяют.

Свойства наноматериалов во многом определяются характером распределения, формой и химическим составом наночастиц, из которых они состоят. В связи с этим целесообразно классифицировать структуры наноматериалов в соответствии с этими характеристиками. Согласно форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на пластинчатые, волокнистые (столбчатые) и равноосные. Разумеется, толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна в то же время принимают значения порядка 100 нм или менее. На основе характеристик химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов. [1-4]

Первая группа включает такие материалы, в которых химический состав кристаллитов и интерфейсов одинаковый. Их также называют однофазными. Примерами таких материалов являются чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры. [1-4]

Вторая группа включает материалы, в которых изменяется состав кристаллитов, но границы идентичны по своему химическому составу.

Третья группа включает наноматериалы, в которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. [1-4]

Четвертая группа представлена наноматериалами, в которых наноразмерные составляющие (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей различный химический состав. В эту группу входят, в частности, дисперсно-упрочненные материалы. [1-4]

Значимые свойства наноматериалов для машиностроения рассмотрим на примерах их применения.

Конструкционные материалы:

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна [3,4,9]. Поэтому основное направление их использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза а пластичность – либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni₃Al возрастает в 4 раза [8,12]. Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий [9].

Инструментальные материалы:

Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием [9]. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработки.

Износостойкие материалы:

Металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Эффект износостойкости и малого коэффициента трения проявляется при использовании полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов и фуллеридов, наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью[9].

Производственные технологии:

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств [9]. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии [9]. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х10⁷ м^-1) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов [9].

Проделанная работа направлена на то, что бы познакомить и заинтересовать читателя таким новым видом исследований для науки, как наноматериалы. Для простоты восприятия, была сформулирована простая и понятная терминология, которая должна помочь избежать путаницы, сформулирована классификация и приведены основные свойства наноматериалов и их возможные варианты применения.