1. Полимеро-керамические нанокомпозиты (определение, виды, классы, взаимодействия)

Традиционно под термином "композиционные" материалы понимают некоторые многофазные многокомпонентные системы, в которых объединены несколько материалов, отличающихся по составу или форме в макромасштабе, с целью получения специфических свойств или характеристик конечного материала.

При этом отдельные составляющие системы сохраняют свою индивидуальность и свойства в такой степени, что они проявляют межфазную границу и работают в некотором "синергетическом ансамбле", достигая улучшения свойств, недоступных каждому компоненту в отдельности.

Полимерные нанокомпозиты, представляют собой полимеры, наполненные наночастицами, взаимодействующими с полимерной матрицей на молекулярном уровне.

Полимеры - длинные линейные цепи, состоящие из большого (N>>1) числа одинаковых звеньев.

Благодаря такому взаимодействию образуется композит, обладающий высокой адгезионной прочностью полимерной матрицы к наночастицам. Обычно наночастицы имеют размеры не более 100 нм хотя бы в одном из трех измерений.

Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические, каталитические свойства нанокомпозитов отличаются в зависимости от составляющих материалов. Ограничение по масштабу для этих эффектов оценивается следующим образом: < 5 нм для каталитической активности, < 20 нм для перехода магнитожесткого материала в мягкий, <50 нм для изменения индекса рефракции, и < 100 нм для достижения суперпарамагнетизма, механической прочности или ограничения сдвигов в структуре композита.

В механическом смысле нанокомпозиты отличаются от обычных композитных материалов из-за исключительно высокого отношения площади поверхности к объему усиливающей фазы и/или исключительно высокого соотношения характерных размеров. Усиливающий материал может состоять из частиц (например, минералов), листов или волокон (например, нанотрубок). Область взаимодействия между матрицей и усиливающей фазой обычно на порядок больше, чем для обычных композитов. Таким образом, большая площадь поверхности усиливающей фазы означает, что относительно малое количество усилителя может оказать существенное влияние на макроскопические свойства композита. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электро- и теплопроводность. Другие типы наночастиц могут влиять на оптические свойства, диэлектрические свойства, теплоизоляцию или механические свойства, такие как жесткость, прочность и устойчивость к повреждениям и износу.

Представляется, что модификация полимерной матрицы наночастицами является эффективной при выполнении некоторых дополнительных условий:

•наночастицы должны иметь узкое распределение по размерам;

•типичные(линейные) размеры наночастиц и средние расстояния между наночастицами, диспергированными в полимерной матрице, не должны сильно отличаться от радиуса инерции макромолекул;

•необходимы метрология и эталонирование;

•взаимодействие между наночастицей и полимерной матрицей должно быть «оптимальным», для того, чтобы обеспечить саму возможность диспергирования наночастиц, а также последующую их иммобилизацию в полимерной матрице для предотвращения агрегации наночастиц при обработке или хранении материала;

•необходимо мультимасштабное компьютерное моделирование (на данный момент не существует общей теории, описывающей механизм воздействия наночастиц на свойства композита).

Композиционные материалы различаются:

• типом матрицы (органическая, неорганическая),

• ее перерабатываемостью (термопласт, термосет),

• типом усиливающих элементов,

• ориентацией усиливающих элементов (изотропная, одноосно ориентированная):

• стекло- (СВ),

• углеродно- (УВ),

• арамидноволоконном (АВ).

• непрерывностью.

Механические свойства композитов зависят от структуры и свойств межфазной границы.

Сильное межфазное взаимодействие между матрицей и волокном-наполнителем обеспечивает высокую прочность материала, а значительно более слабое — ударную прочность.

Нанокомпозиты из керамики и полимеров.

Очень многие материалы — от металлов и керамик до биоминералов — состоят из неорганических наночастиц (оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т.д.). Они входят в состав и нанокомпозитов на основе различной керамики и полимеров. Несовместимость этих неорганических и органических компонентов — основная проблема, которую приходится преодолевать при создании таких материалов. Чрезвычайно важно также контролировать в них степень микрофазного разделения.

Материалы с сетчатой структурой.

Наибольшие успехи в получении этих нанокомпозитов были достигнуты золь-гель технологией, в которой исходными компонентами служат алкоголяты некоторых химических элементов и органические олигомеры.

Сначала алкоголяты кремния подвергают гидролизу, а затем проводят реакцию поликонденсации гидроксидов

В результате образуется керамика из неорганической трехмерной сетки. Поскольку золь-гель реакция, протекающая обычно в спиртовых растворах мономера и алкоголятов неорганического предшественника М(OR)n, не требует высокой температуры, в реакционные схемы удается включать органические соединения как в виде активных олигомеров, так и готовых полимеров.

В качестве органического компонента используют многие соединения и в зависимости от условий реакции и содержания компонентов получают материалы с разной надмолекулярной организацией.

Вообще методов проведения золь-гель реакции несколько. Дж.Марк, например, предложил осуществлять гидролиз и конденсацию в набухшей полимерной матрице. В ходе такой реакции образуются взаимопроникающие органическая и керамическая сетки, что обеспечивает уникальные механические свойства конечного материала.

Существует также метод синтеза, в котором полимеризация и образование неорганического стекла протекают одновременно. За счет этого расширяется класс используемых мономеров, кроме того, при сушке конечного продукта не происходит заметной усадки, как в способе Марка.