Нанокомпозит - Nanocomposite

Нанокомпозит представляет собой многофазный твердый материал, в котором одна из фаз имеет один, два или три размера менее 100 нанометры (нм) или структуры, имеющие наноразмерные повторяющиеся расстояния между различными фазами, составляющими материал.

Идея нанокомпозита заключается в использовании строительных блоков с размерами в нанометровом диапазоне для проектирования и создания новых материалов с беспрецедентной гибкостью и улучшением их физических свойств.

В самом широком смысле это определение может включать пористая среда, коллоиды, гели и сополимеры, но чаще используется для обозначения твердой комбинации объемной матрицы и наноразмерной фазы (фаз), различающихся по свойствам из-за различий в структуре и химическом составе. Механические, электрические, термические, оптические, электрохимические и каталитические свойства нанокомпозита будут заметно отличаться от свойств материалов компонентов. Были предложены пределы размера для этих эффектов:[1]

  1. <5 нм для каталитический Мероприятия
  2. <20 нм для создания мягкого магнитотвердого материала
  3. <50 нм для показатель преломления изменения
  4. <100 нм для достижения суперпарамагнетизм, механическое упрочнение или ограничивающая матрица вывих движение

Нанокомпозиты встречаются в природе, например, в структуре раковина морского ушка и кость. Использование материалов, богатых наночастицами, задолго до понимания физической и химической природы этих материалов. Хосе-Якаман и другие.[2] исследовали происхождение глубины цвета и устойчивости к кислотам и биокоррозии Майя синяя краска, приписывая это наночастица механизм. С середины 1950-х годов наноразмерные органо-глины использовались для управления потоком растворов полимеров (например, в качестве загустителей красок) или состава гелей (например, в качестве загустителя в косметике, сохраняя препараты в гомогенной форме). К 1970-м годам полимер /глина композиты были темой учебников,[3][4] хотя термин «нанокомпозиты» не использовался широко.

С механической точки зрения нанокомпозиты отличаются от обычных композитные материалы из-за исключительно высокого отношения поверхности к объему армирующей фазы и / или ее исключительно высокого соотношение сторон. Армирующий материал может состоять из частиц (например, минералов), листов (например, стопки расслоенной глины) или волокон (например, углеродных нанотрубок или электропряденых волокон).[5]. Площадь границы раздела между матрицей и армирующей фазой (-ами) обычно на порядок больше, чем для обычных композитных материалов. Вблизи арматуры свойства материала матрицы существенно изменяются. Аджаян и другие.[6] Обратите внимание, что в случае полимерных нанокомпозитов свойства, связанные с местной химией, степенью термореактивного отверждения, подвижность полимерной цепи, конформация полимерной цепи, степень упорядоченности полимерных цепей или кристалличность могут значительно и непрерывно изменяться от границы раздела с армированием до основной массы матрицы. .

Такая большая площадь армирующей поверхности означает, что относительно небольшое количество наноразмерного армирования может оказывать заметное влияние на макромасштабные свойства композита. Например, добавив углеродные нанотрубки улучшает электрические и теплопроводность. Другие виды наночастиц могут привести к усилению оптические свойства, диэлектрические свойства, термостойкость или механические свойства, такие как жесткость, сила и устойчивость к износу и повреждениям. Как правило, наноусиление диспергируется в матрице во время обработки. Процент по весу (называемый массовая доля) введенных наночастиц может оставаться очень низким (от 0,5% до 5%) из-за низкого содержания наполнителя. порог перколяции, особенно для наиболее часто используемых несферических наполнителей с высоким соотношением сторон (например, пластинки нанометровой толщины, такие как глины, или цилиндры нанометрового диаметра, такие как углеродные нанотрубки). Ориентация и расположение асимметричных наночастиц, несоответствие тепловых свойств на границе раздела, плотность границы раздела на единицу объема нанокомпозита и полидисперсность наночастиц существенно влияют на эффективную теплопроводность нанокомпозитов.[7]

Нанокомпозиты с керамической матрицей

Композиты с керамической матрицей (КМЦ) состоят из керамических волокон, встроенных в керамическую матрицу. Матрица и волокна могут состоять из любого керамического материала, включая углеродные и углеродные волокна. В керамика занимающие большую часть объема часто принадлежат к группе оксидов, таких как нитриды, бориды, силициды, тогда как второй компонент часто представляет собой металл. В идеале оба компонента тонко диспергированы друг в друге, чтобы выявить определенные оптические, электрические и магнитные свойства.[8] а также трибологические, антикоррозийные и другие защитные свойства.[9]

Двоичный фазовая диаграмма смеси следует учитывать при разработке металлокерамических нанокомпозитов и принимать меры, чтобы избежать химической реакции между обоими компонентами. Последний пункт в основном важен для металлического компонента, который может легко вступить в реакцию с керамикой и тем самым потерять свой металлический характер. Этому ограничению непросто соблюсти, поскольку для приготовления керамического компонента обычно требуются высокие температуры процесса. Таким образом, самая безопасная мера - это тщательно выбирать несмешивающиеся металлические и керамические фазы. Хорошим примером такого сочетания является металлокерамический композит TiO2 и Cu, смеси которых оказались несмешивающимися на больших площадях в треугольнике Гиббса Cu-O-Ti.[10]

Концепция нанокомпозитов с керамической матрицей была также применена к тонкие пленки которые представляют собой твердые слои толщиной от нескольких нанометров до нескольких десятков мкм, нанесенные на нижележащую подложку, и которые играют важную роль в функционализации технических поверхностей. Распыление газовым потоком посредством полый катод Метод оказался достаточно эффективным для получения слоев нанокомпозитов. Процесс работает как вакуумный. отложение метод и связан с высокими скоростями осаждения до нескольких мкм / с и ростом наночастиц в газовой фазе. Нанокомпозитные слои в диапазоне составов керамики были приготовлены из TiO2 и Cu методом полого катода[11] это показало высокий механическая твердость, маленький коэффициенты трения и высокий устойчивость к коррозии.

Металломатричные нанокомпозиты

Нанокомпозиты с металлической матрицей также можно определить как композиты с армированной металлической матрицей. Этот тип композитов можно разделить на сплошные и непрерывные армированные материалы. Одним из наиболее важных нанокомпозитов является Композиты с металлической матрицей на основе углеродных нанотрубок, который представляет собой новый материал, который разрабатывается для использования преимуществ высокой прочности на разрыв и электропроводности материалов углеродных нанотрубок.[12] Решающее значение для реализации УНТ-ММС, обладающих оптимальными свойствами в этих областях, является разработка синтетических методов, которые (а) экономически производимы, (б) обеспечивают однородную дисперсию нанотрубок в металлической матрице и (в) приводят к сильному межфазная адгезия между металлической матрицей и углеродными нанотрубками. В дополнение к композитам с металлической матрицей углеродных нанотрубок, композиты с металлической матрицей, армированной нитридом бора, и композиты с металлической матрицей из нитрида углерода являются новыми областями исследований нанокомпозитов с металлической матрицей.[13]

Недавнее исследование, сравнивающее механические свойства (модуль Юнга, предел текучести при сжатии, модуль упругости и предел текучести при изгибе) однослойных и многослойных армированных полимерных (полипропиленфумарат - PPF) нанокомпозитов с нанотрубками из дисульфида вольфрама, армированными нанокомпозитами PPF, предполагает, что дисульфид вольфрама нанотрубки, армированные нанокомпозитами PPF, обладают значительно более высокими механическими свойствами, а нанотрубки из дисульфида вольфрама являются лучшими усиливающими агентами, чем углеродные нанотрубки.[14] Повышение механических свойств может быть связано с однородной дисперсией неорганических нанотрубок в полимерной матрице (по сравнению с углеродными нанотрубками, которые существуют в виде агрегатов микронного размера) и повышенной плотностью сшивания полимера в присутствии нанотрубок из дисульфида вольфрама (увеличение плотности сшивания приводит к повышению механических свойств). Эти результаты предполагают, что неорганические наноматериалы, в целом, могут быть лучшими усиливающими агентами по сравнению с углеродными нанотрубками.

Другой вид нанокомпозита - это энергетический нанокомпозит, обычно представляющий собой гибридный золь-гель на основе диоксида кремния, который в сочетании с оксидами металлов и наноразмерным алюминиевым порошком может образовывать супертермит материалы.[15][16][17][18]

Полимерно-матричные нанокомпозиты

Основная статья: Полимерный нанокомпозит

В простейшем случае, добавив соответствующим образом наночастицы к полимерной матрице может улучшить ее характеристики, часто значительно, просто за счет использования природы и свойств наноразмерного наполнителя[19] (эти материалы лучше описывать термином нанонаполненные полимерные композиты[19]). Эта стратегия особенно эффективна при получении композитов с высокими эксплуатационными характеристиками, когда достигается однородная дисперсия наполнителя и свойства наноразмерного наполнителя существенно отличаются или лучше, чем у матрицы. Однородности дисперсии во всех нанокомпозитах противодействует термодинамическое разделение фаз. При кластеризации наноразмерных наполнителей образуются агрегаты, которые служат структурными дефектами и приводят к разрушению. Послойная сборка (LbL), когда слои нанометрового масштаба наночастицы и полимеры добавляются один за другим. Композиты LbL демонстрируют рабочие параметры в 10-1000 раз лучше, чем традиционные нанокомпозиты, полученные путем экструзии или периодического смешивания.

Наночастицы, такие как графен,[20] углеродные нанотрубки, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама используются в качестве усиливающих агентов для изготовления механически прочных биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для инженерии костной ткани. Добавление этих наночастиц в полимерную матрицу при низких концентрациях (~ 0,2 мас.%) Вызывает значительное улучшение механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе.[21][22] Потенциально эти нанокомпозиты могут быть использованы в качестве нового, механически прочного и легкого композитного материала в качестве костных имплантатов. Результаты показывают, что механическое усиление зависит от морфологии наноструктуры, дефектов, дисперсии наноматериалов в полимерной матрице и плотности сшивки полимера. В общем, двумерные наноструктуры могут усиливать полимер лучше, чем одномерные наноструктуры, а неорганические наноматериалы являются более сильными усиливающими агентами, чем наноматериалы на основе углерода. В дополнение к механическим свойствам, полимерные нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок или графена использовались для улучшения широкого диапазона свойств, что привело к появлению функциональных материалов для широкого диапазона приложений с высокой добавленной стоимостью в таких областях, как преобразование и хранение энергии, зондирование и биомедицинская тканевая инженерия.[23] Например, полимерные нанокомпозиты на основе многослойных углеродных нанотрубок использовались для повышения электропроводности.[24]

Наноразмерное диспергирование наполнителя или контролируемых наноструктур в композите может привнести новые физические свойства и новое поведение, которые отсутствуют в незаполненных матрицах. Это эффективно меняет характер исходной матрицы.[19] (такие композитные материалы лучше описать термином настоящие нанокомпозиты или же гибриды[19]). Некоторыми примерами таких новых свойств являются огнестойкость или огнестойкость,[25] и ускоренная биоразлагаемость.

Ряд полимерных нанокомпозитов используется для биомедицинских приложений, таких как тканевая инженерия, доставка лекарств, клеточная терапия.[26][27] Благодаря уникальным взаимодействиям между полимером и наночастицами можно создать ряд комбинаций свойств, имитирующих структуру и свойства нативной ткани. Ряд природных и синтетических полимеров используется для создания полимерных нанокомпозитов для биомедицинских применений, включая крахмал, целлюлозу, альгинат, хитозан, коллаген, желатин и фибрин, поли (виниловый спирт) (PVA), поли (этиленгликоль) (PEG), поли (капролактон) (PCL), сополимер молочной и гликолевой кислоты (PLGA) и поли (глицерин себацинат) (PGS). Ряд наночастиц, включая керамические, полимерные, наноматериалы на основе оксидов металлов и углерода, включаются в полимерную сеть для получения желаемых комбинаций свойств.

Магнитные нанокомпозиты

Нанокомпозиты, которые могут реагировать на внешний стимул, вызывают повышенный интерес в связи с тем, что из-за большого количества взаимодействий между фазовыми интерфейсами ответ на стимул может иметь большее влияние на композит в целом. Внешний стимул может принимать разные формы, например магнитное, электрическое или механическое поле. В частности, магнитные нанокомпозиты полезны для использования в этих приложениях из-за природы способности магнитного материала реагировать как на электрические, так и на магнитные стимулы. Глубина проникновения магнитного поля также велика, что приводит к увеличению площади воздействия на нанокомпозит и, следовательно, к увеличению отклика. Чтобы реагировать на магнитное поле, матрица может быть легко загружена наночастицами или наностержнями. Различные морфологии магнитных нанокомпозитных материалов обширны, включая наночастицы с дисперсией в матрице, наночастицы ядро-оболочка, коллоидные кристаллы, макромасштабные сферы или наноструктуры янусового типа. .[28][29]

Магнитные нанокомпозиты могут использоваться в большом количестве приложений, включая каталитические, медицинские и технические. Например, палладий является обычным переходным металлом, используемым в реакциях катализа. Комплексы палладия на магнитных наночастицах можно использовать в катализе для повышения эффективности палладия в реакции.[30]

Магнитные нанокомпозиты также могут быть использованы в области медицины, при этом магнитные наностержни, встроенные в полимерную матрицу, могут способствовать более точной доставке и высвобождению лекарств. Наконец, магнитные нанокомпозиты можно использовать в высокочастотных / высокотемпературных приложениях. Например, можно изготавливать многослойные структуры для использования в электронных приложениях. Электроосажденный многослойный образец оксида Fe / Fe может быть примером такого применения магнитных нанокомпозитов.[31]

Термостойкие нанокомпозиты

В последние годы были разработаны нанокомпозиты, способные выдерживать высокие температуры, путем добавления углеродных точек (CD) в полимерную матрицу. Такие нанокомпозиты можно использовать в средах, где высокая термостойкость является главным критерием. [32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Камигаито, О. (1991). «Что можно улучшить с помощью нанометровых композитов?». J. Jpn. Soc. Порошок порошкового металла. 38 (3): 315–21. Дои:10.2497 / jjspm.38.315. в Келли, А, Краткая энциклопедия композиционных материалов, Elsevier Science Ltd, 1994 г.
  2. ^ Jose-Yacaman, M .; Rendon, L .; Arenas, J .; Серра Пуч, М. К. (1996). «Голубая краска майя: древний наноструктурированный материал». Наука. 273 (5272): 223–5. Дои:10.1126 / science.273.5272.223. PMID  8662502.
  3. ^ Б.К.Г. Тенг "Образование и свойства глинисто-полимерных комплексов.", Эльзевир, Нью-Йорк, 1979; ISBN  978-0-444-41706-0
  4. ^ Функциональные полимерные композиты с наноглинами, редакторы: Юрий Львов, Баочун Го, Равил Ф. Фахруллин, Королевское химическое общество, Кембридж, 2017, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-672-5
  5. ^ «Что такое полимерные нанокомпозиты?». Ковентивные композиты. 2020-09-09.
  6. ^ ВЕЧЕРА. Аджаян; Л.С. Шадлер; П.В. Браун (2003). Нанокомпозитная наука и технологии. Вайли. ISBN  978-3-527-30359-5.
  7. ^ Тиан, Чжитинг; Ху, Хань; Солнце, Ин (2013). «Молекулярно-динамическое исследование эффективной теплопроводности в нанокомпозитах». Int. J. Тепломассообмен. 61: 577–582. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2013.02.023.
  8. ^ Ф. Э. Круис, Х. Фиссан и А. Пелед (1998). «Синтез наночастиц в газовой фазе для электронных, оптических и магнитных приложений - обзор». J. Aerosol Sci. 29 (5–6): 511–535. Дои:10.1016 / S0021-8502 (97) 10032-5.
  9. ^ С. Чжан; Д. Сан; Y. Fu; Х. Ду (2003). «Последние достижения сверхтвердых нанокомпозитных покрытий: обзор». Серфинг. Пальто. Technol. 167 (2–3): 113–119. Дои:10.1016 / S0257-8972 (02) 00903-9.
  10. ^ Г. Эффенберг, Ф. Алдингер и П. Рогл (2001). Тройные сплавы. Всеобъемлющий сборник оцененных конституциональных данных и фазовых диаграмм. Материаловедение-Международные услуги.
  11. ^ М. Биркхольц; У. Альберс и Т. Юнг (2004). «Нанокомпозитные слои керамических оксидов и металлов, полученные методом реактивного газопоточного распыления» (PDF). Серфинг. Пальто. Technol. 179 (2–3): 279–285. Дои:10.1016 / S0257-8972 (03) 00865-X.
  12. ^ Джанас, Давид; Лиска, Барбара (2017). «Нанокомпозиты с медной матрицей на основе углеродных нанотрубок или графена». Mater. Chem. Передний. 2: 22–35. Дои:10.1039 / C7QM00316A.
  13. ^ С. Р. Бакши, Д. Лахири и А. Аргавал, Композиты с металлической матрицей, армированные углеродными нанотрубками - Обзор, Международные обзоры материалов, т. 55, (2010), http://web.eng.fiu.edu/agarwala/PDF/2010/12.pdf
  14. ^ Lalwani, G; Хенсли, AM; Фаршид, Б; Parmar, P; Линь, L; Цинь, YX; Каспер, ФК; Микос, АГ; Ситхараман, Б. (сентябрь 2013 г.). «Биоразлагаемые полимеры, армированные нанотрубками из дисульфида вольфрама, для инженерии костной ткани». Acta Biomaterialia. 9 (9): 8365–73. Дои:10.1016 / j.actbio.2013.05.018. ЧВК  3732565. PMID  23727293.
  15. ^ Gash, AE. "Изготовление наноструктурированной пиротехники в стакане" (PDF). Получено 2008-09-28.
  16. ^ Gash, AE. "Энергетические нанокомпозиты с золь-гель химией: синтез, безопасность и характеристика, LLNL UCRL-JC-146739 " (PDF). Получено 2008-09-28.
  17. ^ Райан, Кевин Р .; Gourley, James R .; Джонс, Стивен Э. (2008). «Экологические аномалии во Всемирном торговом центре: свидетельство энергетических материалов». Эколог. 29: 56–63. Дои:10.1007 / s10669-008-9182-4.
  18. ^ Джанета, Матеуш; Джон, Лукаш; Эйфлер, Иоланта; Шаферт, Славомир (24 ноября 2014 г.). «Синтез с высоким выходом амидофункционализированных полиоктаэдрических олигомерных силсесквиоксанов с использованием ацилхлоридов». Химия: европейский журнал. 20 (48): 15966–15974. Дои:10.1002 / chem.201404153. ISSN  1521-3765. PMID  25302846.
  19. ^ а б c d Маниас, Евангелос (2007). «Нанокомпозиты: более жесткие по конструкции». Материалы Природы. 6 (1): 9–11. Дои:10.1038 / nmat1812. PMID  17199118.
  20. ^ Rafiee, M.A .; и другие. (3 декабря 2009 г.). «Повышенные механические свойства нанокомпозитов при низком содержании графена». САУ Нано. 3 (12): 3884–3890. Дои:10.1021 / nn9010472. PMID  19957928.
  21. ^ Лалвани, Гаурав; Henslee, Allan M .; Фаршид, Бехзад; Линь, Лянцзюнь; Каспер, Ф. Куртис; И-, И-Сянь; Цинь, Сиань; Микос, Антониос Г .; Ситхараман, Баладжи (2013). «Биоразлагаемые полимерные нанокомпозиты, усиленные двумерными наноструктурами, для инженерии костной ткани». Биомакромолекулы. 14 (3): 900–909. Дои:10.1021 / BM301995s. ЧВК  3601907. PMID  23405887.
  22. ^ Лалвани, Гаурав; Henslee, A.M .; Фаршид, Б; Parmar, P; Линь, L; Цинь, Ю. Х .; Каспер, Ф. К .; Mikos, A.G .; Ситхараман, Б. (сентябрь 2013 г.). «Биоразлагаемые полимеры, армированные нанотрубками из дисульфида вольфрама, для инженерии костной ткани». Acta Biomaterialia. 9 (9): 8365–8373. Дои:10.1016 / j.actbio.2013.05.018. ЧВК  3732565. PMID  23727293.
  23. ^ Гатти, Тереза; Висентини, Никола; Мба, Мириам; Менна, Энцо (01.02.2016). «Органические функционализированные углеродные наноструктуры для функциональных нанокомпозитов на основе полимеров». Европейский журнал органической химии. 2016 (6): 1071–1090. Дои:10.1002 / ejoc.201501411. ISSN  1099-0690.
  24. ^ Сингх, ВР; Сингх, Дипанкар; Mathur, R. B .; Дхами, Т. Л. (2008). «Влияние МУНТ с модифицированной поверхностью на механические, электрические и термические свойства полиимидных нанокомпозитов». Письма о наномасштабных исследованиях. 3 (11): 444–453. Дои:10.1007 / s11671-008-9179-4. ЧВК  3244951.
  25. ^ "Огнестойкие полимерные нанокомпозиты"А. Б. Морган, К. А. Уилки (ред.), Wiley, 2007; ISBN  978-0-471-73426-0
  26. ^ Гахарвар, Ахилеш К .; Пеппас, Николас А .; Хадемхоссейни, Али (март 2014 г.). «Нанокомпозитные гидрогели для биомедицинского применения». Биотехнологии и биоинженерия. 111 (3): 441–453. Дои:10.1002 / бит. 25160. ЧВК  3924876. PMID  24264728.
  27. ^ Кэрроу, Джеймс К .; Гахарвар, Ахилеш К. (ноябрь 2014 г.). «Биоинспирированные полимерные нанокомпозиты для регенеративной медицины». Макромолекулярная химия и физика. 216 (3): 248–264. Дои:10.1002 / macp.201400427.
  28. ^ Беренс, Силке; Аппель, Инго (2016). «Магнитные нанокомпозиты». Текущее мнение в области биотехнологии. 39: 89–96. Дои:10.1016 / j.copbio.2016.02.005. PMID  26938504.
  29. ^ Беренс, Силке (2011). «Получение функциональных магнитных нанокомпозитов и гибридных материалов: последние достижения и будущие направления». Наномасштаб. 3 (3): 877–892. Дои:10.1039 / C0NR00634C. PMID  21165500.
  30. ^ Чжу, Инхуай (2010). «Магнитные нанокомпозиты: новая перспектива в катализе». ChemCatChem. 2 (4): 365–374. Дои:10.1002 / cctc.200900314.
  31. ^ Варга, Л. (2007). «Магнитомягкие нанокомпозиты для высокочастотных и высокотемпературных применений». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 316 (2): 442–447. Дои:10.1016 / j.jmmm.2007.03.180.
  32. ^ Римал, Вишал; Шишодиа, Шубхам; Шривастава, П. (2020). «Новый синтез высокотемпературных углеродных точек и нанокомпозитов из олеиновой кислоты как органического субстрата». Прикладная нанонаука: 455–464. Дои:10.1007 / s13204-019-01178-z.

дальнейшее чтение