Наноматериалы, их получение и применение

 

 

 

 

 

2. Технологии, основанные на химических процессах

     Химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Данная группа методов основана на осаждении пленок на поверхность нагретых деталей из соединений металлов, находящихся в газообразном состоянии. Осаждение, как правило, проводят в специальной камере при пониженном давлении посредством использования химических реакций восстановления, пиролиза, диспропорционирования. В ряде случаев могут использоваться реакции взаимодействия основного газообразного реагента с дополнительным. Наиболее часто в качестве таких соединений используют карбонилы, галогены, металлоорганические соединения.

     Метод можно использовать для нанесения покрытия на внутренние поверхности трубок и отверстий. Кроме металлических пленок можно получать также пленки из бора, боридов, углерода, карбидов, нитридов, оксидов, кремния и силицидов. Основным недостатком CVD- метода является необходимость нагрева деталей до высоких температур. С одной стороны это оказывает отрицательное влияние на механические свойства и структуру подложки, а с другой вызывает дополнительные проблемы в случае необходимости получения наноструктурного состояния самого покрытия.

     Осаждение с использованием плазмы тлеющего разряда.

      В камере, как правило при пониженном давлении, проводят процессы

по схеме описанных  выше методов катодного и магнетронного  распыления

или     ионного    плакирования.    Существуют    две    разновидности рассматриваемого метода.

     При реактивном распылении материал мишени в виде ионов взаимодействует в плазме тлеющего разряда с ионами активной газовой среды. На поверхность обрабатываемых деталей осаждается покрытие в виде соединения. Типичным примером может служить получение покрытия из нитрида титана, когда в плазме тлеющего разряда происходит взаимодействие ионов титана и азота.

     Вторая разновидность часто носит название «ионноактивированное химическое осаждение из паровой фазы». В этом случае используются аналогичные CVD-методу химические реакции, но из-за активации плазмой тлеющего разряда необходимые для их протекания температуры снижаются до 200…300 ^оС. Такой подход позволяет преодолеть основной указанный выше недостаток CVD-метода. Однако при этом практически невозможно получение покрытий с очень высокой чистотой химического состава, так как из-за недостаточной десорбции при низкой температуре подложки в формирующееся покрытие могут проникать примеси реакционных газов.

 

 

 

 

                                                                                   

 

6. Применение наноматериалов

 

    Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. Но исследования ведутся активно, и с каждым днем область использования увеличивается (рис.13).

 

Рис.13. Области применения наноматериалов.

 

     Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использования в настоящее время – это получение высокопрочных и износостойких материалов. Так прочностные свойства увеличиваются по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а вязкость – либо уменьшается очень незначительно, либо возрастает, особенно, в случае керамических наноматериалов. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

    Инструментальные сплавы с нанозерном являются, как правило, более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков.  

    Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление тугоплавких нанопорошков к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Очень большая удельная поверхность нанопорошков способствует их применению в качестве катализаторов в ряде химических производств.  

     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 (например, со сфероподобными молекулами С60) и фуллеридов (легированных фуллеренов, например, FexC60), наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью

     В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20 ГПа и очень малым коэффициентом трения скольжения. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей, фторопластовые для уменьшения трения.

     Для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами.

     Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – для изготовления имплантатов, протезов и травматологических аппаратов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).

     Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий самолетов, созданных с применением технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем и электроники противника (т.н. «графитовая бомба»).

     Однако в использовании наноматериалов есть свои ограничения. Важным ограничением для использования наноструктурных конструкционных материалов является их склонность к коррозии из-за очень большой объемной доли границ зерен. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия атомов с поверхности и по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен и т.д.).

     Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а, следовательно, нестабильность их свойств. Так при термических, радиационных, деформационных и т.п. воздействиях неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления распада, фазовых превращений, спекания и заплывания нанопор и нанокапилляров, аморфизации или кристаллизации. Например, углеродные нановолокона, предназначенные для фильтрации жидкости, могут повреждаться под действием вибраций и возбуждаемой потоком жидкости структурной неустойчивости углерода. При формовании изделий из нанопорошков достаточно остро встает также проблема слипания наночастиц, что может осложнить получение материалов с заданной структурой и распределением компонентов.

    

         

 

Заключение

     Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизации, выполняя не только производственные, но и социальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. Манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями – атомами и молекулами, – по прогнозам специалистов, уже в ближайшем будущем откроют перед человечеством беспрецедентные перспективы и станут ключом к его жизнеобеспечению во всех сферах деятельности. На очереди создание эффективных технологических процессов, обеспечивающих создание наноматериалов с нанокристаллической структурой в промышленных масштабах.

     В настоящее время развитие нанотехнологий и разработка методик создания и изучения нановещества может быть названа одной из важнейших областей науки XXI века. Как говорил еще 30 лет назад знаменитый физик Р.Ф. Фейнман, проникновение в наномир – это бесконечный путь человека, на котором он практически не ограничен материалами, но следует лишь за собственным разумом.

 

Список литературы

1. Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. -- М.: КоЛибри, 2009;
2. Глезер А. М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы.// Российский химический журнал, 2002, №5;
3. Малинецкий Г. Г. Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше// Интеграл. 2007;
4. Фейнман Р.Ф. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики. // Российский химический журнал, 2002, Т.XLVI, №5;
5. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2003;
6. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. –М.: МИФИ, 2004;
7. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. - М.: МИФИ, 2005;
8. Макарова Т.П. Электрические и оптические свойства мономерных и полимеризированных фуллеренов // Физика и техника полупроводников, 2001. Т.35. Вып.3.;
9. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства области применения / Отв. ред. И.М, Федорченко – Киев: Наукова думка, 1985;
10. Марк Ратнер, Даниэль Ратнер Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи = Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. -- М.: "Вильямс", 2006.