НАНОРАЗМЕР имеет значение

За два десятилетия количество исследовательских проектов в области наноструктурированных материалов промышленного назначения значительно выросло во всем мире, даже без учета полупроводниковой электроники, которая давно прошла рубеж наноразмерной миниатюризации. Потребность в новой промышленной продукции продиктована в том числе спросом на машины и оборудование, рассчитанные на повышенные нагрузки, с которыми не могут справиться традиционные материалы. 

Использование наноматериалов существенно влияет на конструкционную прочность изделий, стойкость к износу, коррозии, агрессивным средам, радиации и на многие другие ключевые характеристики самых разных материалов, что позволяет создавать машины, механизмы, конструкции и приборы с принципиально новыми параметрами.  
В силу этих особенностей практический интерес к нанотехнологическим исследованиям проявляют специалисты, работающие в области энергетики, медицины, авиа- и судостроения, нефтегазовой, химической, космической, обрабатывающей промышленности, машиностроения и многих других. 
 
Смоделировать материал 
 
Российский нанотехнологический рынок очень неоднороден. С одной стороны, в стране работает множество государственных и частных компаний, которые имеют возможность получения и изучения материалов на основе наноматериалов: порошков металлов, их сплавов и оксидов, полимерных и углеродных структур (наноалмазов, нанотрубок, других частиц фуллероидного типа, нановолокон, нанопористых микроструктур и др.). 
 
В то же время ежегодный объем потребления выпускаемых в РФ углеродных наночастиц еще недавно оценивался в несколько сотен килограммов, хотя потенциальные возможности производства были намного выше. Чаще всего производители наночастиц используют продукцию для собственных разработок: для опытных образцов различных материалов и изделий с улучшенными свойствами (покрытий, тканей, модифицирующих добавок, оптических компонентов и др.), как правило, в сотрудничестве с научно-исследовательскими, проектными и промышленными компаниями. 
 
Надо отметить, что схожие характеристики этих опытных образцов могут быть получены на различных предприятиях с помощью различных наночастиц, имеющих разную себестоимость, которая колеблется от десятков рублей до десятков долларов за грамм вещества. Поэтому обобщить процессы производства новых материалов сложно, учитывая преобладающую роль сугубо эмпирических исследований в целом и закрытые «ноу-хау» разработчиков в частности. 
 
Современный уровень развития прикладных нанотехнологий позволяет получать материалы практически с любыми интересующими рынок свойствами. В каждом конкретном случае результат определяется опытом разработчиков и спецификой производства: имеет значение постановка задачи заказчиком. А с ней и планируемые параметры будущего материала, подбор концентрации и сочетаний наночастиц, технологические процессы, наличие того или иного оборудования или измерительной техники. 
 

«Подобная «рецептура» экспериментальных материалов с контролируемыми характеристиками является предметом патентов любой компании, которая работает в нашей области», – комментирует ситуацию Андрей Пономарев, вице-президент Нанотехнологического общества России, профессор СПбГПУ, член экспертного совета концерна «Наноиндустрия», а с недавнего времени – один из руководителей инновационного территориального промышленного «Композитного кластера Санкт-Петербурга». 

Возглавляемая им компания – это созданный более двадцати лет назад «Научно-технический центр прикладных нанотехнологий» (изначально ООО «Астрин»). С самого основания сотрудники НТЦ вели работу по синтезу нанодисперсных фуллероидных материалов: фуллеренов С60 и С70, их смесей, многослойных углеродных нанотрубок и других видов технического наноуглерода. 

В 1998–1999 годах здесь выделили и приступили к производству астраленов – нового вида полиэдральных многослойных углеродных наночастиц, отличающихся особыми свойствами. Сегодня они являются основой наномодификаторов для большинства промышленных разработок НТЦ, связанных с созданием новых видов композиционных полимерных и неорганических материалов, в том числе для машиностроения и строительной отрасли.
 
С точки зрения приоритетных направлений в области серийного производства новых конструкционных материалов астралены рассматриваются экспертами национальных отраслевых центров наравне с другими фуллероидными частицами. Так, по словам генерального директора ВИАМ академика РАН Евгения Каблова, одним из быстроразвивающихся направлений в создании современных материалов является модифицирование полимерных композитов наноразмерными частицами, такими как фуллерены, астралены, нанотрубки, состоящие на 99,9% из углерода. 
 
Композиты с приставкой «нано-» 
 
Металлические, керамические, полимерные и композиционные материалы составляют основную часть применяемых в промышленности конструкционных материалов. Если прирост прочностных свойств этих материалов еще недавно был связан с разработкой составов и сплавов с новым химическим и структурным составом, то сегодня перспективные направления связывают преимущественно с наномодифицированными материалами. Прочностные свойства таких нанокомпозитных материалов, как правило, увеличиваются, а ударная вязкость возрастает, что особенно важно для керамических изделий.
 
Конструкционные композитные материалы относятся к многокомпонентным структурам, состоящим из матрицы, армированной наполнителями. Наполнители (стеклянные, углеродные, базальтовые, органические волокна или минеральные добавки) обеспечивают физико-механические свойства, а матрица – монолитность композита, распределение напряжений в материале, стойкость к агрессивным химическим воздействиям. Обычно материал связующего для полимерных композицитов выбирают из эпоксидиановых, эпоксиноволачных, эпоксифенольных смол, полиэфиров, модифицированных полиэфиров и т. п. 
 
Эксплуатационные свойства композитов можно задать подбором состава и качества матрицы и армирующих компонентов, определением их соотношения и направлений ориентации наполнителя. Таким образом, становится возможным получить высокотехнологичные материалы, сочетающие, к примеру, легкость пластика с прочностью легированной высокопрочной стали. 
 
Наномодификация композитов позволяет не только улучшить и без того высокие прочностные параметры, но также изменить функциональные свойства (оптические, диэлектрические, электро- и теплопроводные, магнитные, каталитические, огнестойкие и др.). 
 
По механической прочности композиты, армированные наноуглеродными структурами, превосходят материалы, выполненные по традиционным технологиям, в несколько раз. По коэффициенту трения в жидких средах – в пять раз, по химической стойкости в агрессивных средах – до 30 раз и при этом в ряде случаев не теряют своих физикомеханических свойств при нагреве свыше 2000 °С (модифицированные углерод-углеродные композиты). 
 
Заметный результат достигается даже при крайне низкой концентрации наночастиц, поскольку изменение свойств происходит за счет высокой степени влияния поверхностной энергии наночастиц на структуру кластерных элементов вещества в конденсированных средах. 
 
«Общий принцип повышения физико-механических характеристик композитов за счет применения фуллероидных материалов заключается в модификации связующего или наполнителя, а в итоге – к уплотнению межфазных границ между матрицей и армирующим наполнителем, – поясняет особенности создания особо прочных композитов Андрей Пономарев. – Эффект достигается за счет различных методов изменения мезоструктуры материала. Например, астралены в силу своей торроидальной структуры многократно усиливают силовое поле при взаимной индукционной поляризации, резко усиливая дисперсионное взаимодействие. В результате даже незначительное, в сотые доли процента по массе, включение наночастиц в материал матрицы приводит к возникновению огромного силового поля на поверхности наполнителей, сравнимого с усилием прессования, и, как следствие, к упрочнению межфазных границ. 
 
Водорастворимые аддукты фуллероидных наноматериалов, образующие однородные и стабильные водные растворы, также влияют на формирование межфазных границ, а также на ресурсные показатели (стабильность) конструкционных материалов. Достаточно вводить ничтожное количество таких аддуктов в отвердители, которые, в свою очередь, сами составляют всего 8–10% от массы смол, чтобы прочность на сжатие получаемых композитов возрастала почти вдвое, а ударная вязкость или трещиностойкость – втрое». 
 
Благодаря своей высокой твердости и прочности нанокомпозитные материалы востребованы при изготовлении различных деталей в машиностроении, а поскольку они обладают высокочастотными и низкоамплитудными собственными резонансами, из них могут производиться державки станочных инструментов для высокопроизводительной прецизионной металлообработки. 
 
На основе эпоксидной композиции с водосовместимым отвердителем в НТЦ разработан водный полидисперсно-армированный нанокомпозит ЭпоксиПАН, который используется сегодня в качестве защитно-декоративного и антикоррозионно-гидроизолирующего покрытия для упрочнения бетонных, кирпичных, металлических и даже деревянных поверхностей. 
 
Любопытно, что древесине как природному композиту также можно придать повышенные эксплуатационные качества за счет использования методов нанотехнологии. Если пропитать ЭпоксиПАНом обычный деревянный брус или другой деревянный профиль, методом инфузии селективно усилить сверхтонкими слоями анизотропной угле-, базальто- либо стеклоткани, а затем покрыть сплошной мембраной из ЭпоксиПАНа, то можно получить легкий, устойчивый к воздействию морской воды и других агрессивных сред плавающий «сэндвич» с жесткостью и прочностью, приближающийся по прочности к металлическому швеллеру. При этом стоимость полученного таким образом гибридного композита будет в разы меньше, чем у применяемых в судостроении монолитных стеклопластиков и тем более углепластиков. 
 
Искусство обрабатывать детали 
 
Огромная потребность в наноструктурированных материалах возникает при создании многофункциональных покрытий, повышающих долговечность, истираемость, сопротивляемость агрессивной среде и другие эксплуатационные характеристики конструкций и механизмов. 
 
Покрытия наносятся на контактные поверхности изделий из металла, металлокерамики, фторопластов, резины или графита для снижения износа в технологических узлах и парах трения. Рынок подобных технологий промышленного назначения очень широк – от металлических нанопорошков, которые добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей, до самосмазывающихся многофазных наноструктурных покрытий, применяемых в космической технике. 
 
Для улучшения антифрикционных характеристик специалисты НТЦ впервые опробовали запатентованную ими нанокомпозицию для обработки заготовок контактных пластин для системы токоподводки монорельсового транспорта, работающих в дальнейшем в качестве сменных токосъемников. 
 
В процессе изготовления на заготовку пластины, полученную порошковым прессованием, при определенной температуре наносится полимерный нанокомпозит, который заполняет микропоры на будущих поверхностях трения. Затем заготовка проходит сушку, температурную обработку, предварительную полимеризацию покрытия, инструментальную калибровку, повторную полимеризацию и еще ряд технологических операций. При всей простоте обработки, не требующей ни вакуумной техники, ни оборудования для напыления, рабочий ресурс таких пластин оказался вчетверо выше расчетного. 
 
«В данном случае речь идет не столько об упрочнении поверхности пар трения, хотя для токоведущих троллеев был использован наномодифицированный сплав на основе меди с повышенными электротехническими и триботехническими свойствами. Эффект резкого повышения эксплуатационного ресурса системы токоподводки достигается за счет присутствия наномодифицированной сухой смазки – присутствующие в порах контактирующей поверхности токосъемников полиэдральные наночастицы начинают работать как наношарикоподшипники, тем самым существенно повышая ресурсные показатели токосъемников и всей системы токоподводки, – рассказывает Андрей Пономарев. – Сегодня интерес к токосъемникам электротранспорта с сухой наносмазкой для городского электротранспорта проявляют заказчики из ближнего зарубежья, а на предприятии на высоком качественном уровне ведется разработка антифрикционных углепластиков для различных подшипников скольжения, в том числе в водных средах». 
 
В борьбе с электромагнитным смогом
 
Одной из наиболее востребованных областей применения нанотехнологий является обеспечение радиозащитных свойств в конструкционных, отделочных и строительных материалах. 
 
В относительно низкочастотной части СВЧ-диапазона эти задачи успешно решаются на основе использования покрытий из различных ферромагнитных частиц, наносимых методами многослойного магнетронного напыления на различные подложки, что обеспечивает защиту биологических объектов, а также электромагнитную совместимость различной радиоэлектронной аппаратуры. 
 
Перспективные задачи заключаются в том, чтобы оставаться неуязвимыми для всего диапазона действия современных источников СВЧ-излучений, рабочие частоты которых лежат в более высокой области частотного спектра электромагнитных волн – от гигагерцового до терагерцового диапазона. 
 
Длины волн такого электромагнитного излучения составляют величины от 0,01 до 0,3 см, то есть лежат между инфракрасным и миллиметровым излучением. Поэтому одна из актуальных задач для материаловедов в области радиоэкологии – получить защищающий от электромагнитного излучения максимально широкополосный (от единиц гигагерц до десятков терагерц) материал, который был бы достаточно легким и функциональным. 
 
Здесь у углеродных наночастиц с их уникальными свойствами взаимодействия с электромагнитным излучением скрыт большой потенциал. В максимальной степени это касается квазитороидальных астраленов и нанопористых углеродных микроволокон, которые обладают способностью обеспечивать управляемое гигантское резонансное взаимодействие с внешними полями. 
 
Тем самым становится возможной реализация систем радиоэкранирования в сверхширокополосном диапазоне частот и появляется возможность борьбы с радиоэлектронным смогом, нарушающим жизнедеятельность в первую очередь на территории больших городов. 
 
В НТЦ уже было опробовано экранирование зданий от электромагнитных излучений встроенных высокочастотных трансформаторных подстанций. Одна из недавних разработок – новый материал для электромагнитной защиты на основе карбонизированного и модифицированного углеродными наночастицами нетканого полиакрилонитрила. 
 
По виду это тонкая ткань, способная тем не менее полностью избежать влияния мобильных телефонов и мощных роутеров, то есть обеспечивать эффективное экранирование жилых помещений от электромагнитного излучения. 
 
«Как показали наши исследования спектров поглощения углеродных наночастиц в области ТГц частот, сочетание тороидальных наночастиц и нанопористых микро- и нановолокон способно обеспечить эффективное поглощение электромагнитных волн с частотами и за пределами терагерцовой области, – говорит генеральный директор НТЦ. – При повышении концентрации такие частицы начинают агломерироваться, превращаясь в более тяжелые осцилляторы с меньшими собственными частотами. Следовательно, спектр их поглощения сдвигается в более низкочастотную область. Это дает основание рассматривать астралены и их комбинации с другими наноструктурами в качестве универсальной основы для создания сверхширокополосных радиоэкранирующих материалов». 
 
Татьяна Рейтер
 
http://stroypuls.ru/magazins/p-s-o/2016/168/index.html


Вернуться к списку