Современные композиционные материалы. Лекция 4. Нанокомпозиты

1.

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Лекция 4
«Нанокомпозиты»
Проф. НОЦ Н.М Кижнера Казьмина О.В.

2.

План занятия
I.
Что такое нанокомпозит?
II.
Почему нано существенно влияет на свойства?
III. Примеры наноразмерных наполнителей и свойства нанокомпозитов.
IV. Способы получения углеродных нанотрубок.
V. Области применения нанокомпозитов.

3.

Что такое нанокомпозит?
Нанокомпозит — это материал, сформированный при введении наноразмерных частиц наполнителя
в структурообразующую фазу (матрицу), обладающий качественно новыми свойствами.
Отличия от обычного композита:
Наночастицы наполнителя имеют более развитую удельная поверхность (Sуд. = 6 / d)
Доля поверхностных атомов наночастиц в композите значительно выше доли поверхностных
атомов микронных частиц, при этом объемная доля наполнителя в виде наночастиц меньше
объемной доли наполнителя в виде микронных частиц;
Свойства нанокомпозита а значительно большей степени зависят от морфологии частиц и
характера взаимодействия на поверхности раздела.

4.

Почему нано влияет на свойства?
Нанокомпозиты отличаются от обычных композитов благодаря значительно более развитой площадью
поверхности частиц наполнителя.
При уменьшении размера частиц доля атомов, расположенных на поверхности, и их влияние на свойства объекта
растут. Поверхностные явлений связаны с тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело,
не скомпенсированы на его поверхности.
Рис. 1 Зависимость общей площади поверхности и числа
атомов на поверхности от размера частиц, составляющих материал
Рис. 2 Асимметрия
поверхностных сил
4

5.

Примеры наноразмерных наполнителей
Наночастицы – изолированный твердофазный объект с отчётливо выраженной границей с окружающей
средой, геометрический размер которых изменяется от 0,1 нм до 100 нм.
1. Нанотрубки (УНТ) – это аллотропная модификация углерода, представляющая
собой полую цилиндрическую структуру диаметром от 2 нм до 10 (30) нм и
длиной от 1 мкм до 30 мкм (и более).
2. Графен –
двумерная аллотропная модификация углерода,
образованная слоем атомов углерода, в котором связи С-С образуют
правильные шестиугольники («пчелиные соты»).
3. Фуллерен – молекулярное соединение, представляющее выпуклые замкнутые
многогранники, составленные из трёхкоординированных атомов углерода
Рис. 4 Графены
Рис. 3 Схематичное
изображение УНТ и МУНТ
Рис. 5 Фуллерен
5

6.

Свойства нанокомпозитов
Таблица 1 Физико-механические свойства углеродных наполнителей и стали
свойство
МУНТ
Углеродное
волокно
Сталь
Плотность, г/см3
1,4
1,8
7,85
Модуль Юнга, ГПа
500 (1000)
230-300
200
Прочность на изгиб, ГПа
60
5
0,25
Относительная прочность, ГПа/(г/см3)
43
3
0,03
Таблица 2 Свойства углеродного нанокомпозита (углеродная матрица и наночастицы углерода)
свойство
значение
Плотность, г/см3
1,8
Модуль Юнга, ГПа
23
Прочность на изгиб, МПа
200
Относительная прочность, ГПа/(г/см3)
111
6

7.

Свойства аэрогеля и аэрографита
1. Аэрогель – дисперсная система, в котором жидкая фаза
замещена воздухом (99,8 %). В 2011 на основе МУНТ.
2. Аэрографит – синтетическая пена, состоящая из
трубчатых волокон углерода (2012 г. Германия).
Обладает
сверхгидрофобностью,
восприимчив к
электростатическим
эффектам – кусочки
материала притягиваются
к заряженным предметам.
Выдерживает нагрузку в 2000 раз больше
своего веса, теплоизолятор, гигроскопичен.
Таблица 3 Свойства аэрогеля и аэрографита
свойство
аэрогель
аэрографит
Плотность, кг/м3
1 -150
0,18 – 8,5
Теплопроводность, Вт/мК
0,017
-
Прочность при сжатии, кПа
16
1 – 160
Модуль Юнга, кПа
+ 1250
0,2 – 15
7

8.

Продолжение следует
3. Графеновый аэрогель – синтетическая пена, состоящая из трубчатых волокон углерода (2013 г.
Китай). За 1 сек. 1 гр. ГА впитывает до 68,8 гр. орг. веществ, плотность 0,16 кг/м3.
8

9.

Модификация бетона
а – структура обычного цементного камня;
б – камень, после добавления нанотрубок
При добавлении в бетон УНТ в количестве от 0,001 до 0,0001% от
доли цемента, прочность цементного камня повышается до 40%,
а прочность бетона до 10 %. (2018 г., Россия)
Добавка 4 %
наноуглеродной сажи обеспечила бетону
способность проводить ток и выделять тепло. Напряжения всего
в 5 вольт оказалось достаточно, чтобы нагреть поверхность
необычного бетона до 41 °C (2021 г., США и Франция).
9

10.

Зачем сажать леса нанотрубок ?
Способ повышения прочностных свойств композитов (наноармирование) – создание леса нанотрубок на
волокнах армирования.
1. Лес предотвращает развитие трещин на поверхности раздела волокон и связующего.
2. Граница раздела передает нагрузку от связующего к волокнам, «включая» т.о. высокое сопротивление
волокон нагружению.
Трещиностойкость – характеристика сопротивления материала зарождению и развитию трещин.
Профессор Ломов С.В. Нано-армирование волокнистых композитов: как сажают леса нанотрубок
https://www.youtube.com/watch?v=od_jAiNKR30
10

11.

Получение углеродных нанотрубок
1. Электродуговой метод получения углеродных наночастиц
Сущность электродугового метода - термическое распыление графитового
электрода в плазме дугового разряда, горящего в атмосфере гелия.
Схема установки для получения
УНТ электродуговым методом
2. Лазерное распыление
Сущность метода - испарение материала мишени, состоящей из смеси
металлов (катализатора) и графита (прекурсор) в высокотемпературном
реакторе.
Схема установки для
получения УНТ
методом лазерной
абляции
3. Метод химического осаждения углерода из газовой фазы
Сущность метода - высокоэнергетическое воздействие на
газообразный источник углерода (прекурсор), последующее
химическое взаимодействие углеродных частиц на поверхности
катализатора с образованием углеродных наноструктур.
Схема установки для
получения УНТ
методом химического
осаждения С
11

12.

3D печать нанокомпозитов
3D принтер
Т/о при 900 С 5 ч.
композит
Пиролиз позволил
создать 3D-печатные
композиты на три
порядка прочнее
аналогов. 2019
https://nplus1.ru/news/
2019/03/19/ultrastrongnanoarchitected-carbon
Рис. 6. Модели элементарных ячеек решетки (слева) и напечатанные на 3D-принтере
решетки после пиролиза (справа). Желтыми кругами обозначены дефекты
12

13.

Области применения углеродных НК
1. Промышленность и транспорт.
2. Нано- и оптоэлектроника.
3. Медицина и здравоохранение.
4. Защита окружающей среды.
5. Энергетика.
6. Национальная безопасность.
Материаловедение 2-е изд. Учебник для вузов (Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., и др.).
13

14.

Области применения нанокомпозитов
Рис. 7 «Зеленая кровля»
с применением аэрогеля
Рис. 8 Области применения нанокомпозитов
Нанокомпозиты обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость,
прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д.
14

15.

Выводы
1. Существенное, влияние наночастиц на свойства композита связано с явлениями на
поверхности интерфейса «наполнитель-матрица». Доля поверхностных атомов
наночастиц в композите значительно выше доли поверхностных атомов микронных
частиц.
2. Нанокомпозиты отличаются от обычных композитов значительно более развитой
удельной поверхностью частиц наполнителя.
3. Нанонаполнитель, введенный в состав композита в малых количествах менее 1 %,
придает материалу уникальные свойства (низкая теплопроводность, плотность,
высокая прочность, электропроводность и др.).