Нанокомпозиты

Нанокомпозиты — это композитные материалы, в которых по крайней мере одна фаза имеет наноразмеры. Обычно это наночастицы, нановолокна или нанопластинки, распределенные в непрерывной матрице. Матрица может быть полимерной, металлической или керамической. Доля наноразмерных компонентов обычно составляет менее нескольких процентов по объему, но оказывает непропорционально сильное влияние на свойства материала.

Необычные свойства нанокомпозитов в первую очередь обусловлены большой граничной поверхностью между матрицей и наноразмерной фазой. Механические, термические, электрические или барьерные эффекты возникают не из-за самого материала, а из-за его однородного распределения и качества граничных поверхностей.

Таким образом, смешивание становится центральным элементом разработки материалов. Основным технологическим препятствием является не смешивание различных компонентов, а полная дезагломерация наночастиц и их стабильное встраивание в матрицу.

В исходном состоянии наночастицы почти всегда присутствуют в виде агломератов. Эти агломераты образуются уже при синтезе частиц или во время хранения. Их внутренняя энергия связи высока, поскольку они стабилизированы ван-дер-ваальсовыми силами, электростатическими эффектами или спеченными мостиками. Для производства высокоэффективных нанокомпозитов эти агломераты должны быть полностью или, по крайней мере, в значительной степени разрушены.

Необходимая для этого работа по дезагломерации тесно связана с поверхностной энергией. Минимальная энергия, необходимая для разделения, может быть приблизительно описана формулой:

E ≈ γ · ΔA

Здесь γ — удельная поверхностная энергия, а ΔA — вновь образованная поверхность. Поскольку ΔA для наночастиц чрезвычайно велико, потребность в энергии для настоящей дисперсии первичных частиц сильно возрастает. Решающим фактором здесь является не общая энергия, а локально действующая плотность энергии в процессе смешивания.

Для нанокомпозитов это означает, что классические механизмы смешивания, в которых доминирует гравитация, являются недостаточными. Эффективными являются только процессы, которые генерируют высокие локальные сдвиги, напряжения сжатия или энергию удара. Примерами являются интенсивные сдвиговые потоки, контакты твердых частиц под давлением или целенаправленное воздействие градиентов сдвига на поверхности стенок.

Большое значение имеет смачивание наночастиц матрицей. Неполное смачивание стабилизирует агломераты и препятствует переносу силы и заряда через границу раздела фаз. Смачиваемость определяется химическим составом поверхности наночастиц, полярностью матрицы и состоянием процесса. Во многих случаях требуется модификация поверхности или использование диспергирующих агентов.

С точки зрения технологии смешивания, решающее значение имеет последовательность этапов процесса. Часто целесообразно проводить сухое предварительное смешивание, поскольку оно разрушает агломераты и создает своего рода гомогенную предварительную смесь.

Это относится как к полимерным нанокомпозитам, так и к керамическим и металлическим системам. В случае полимерных нанокомпозитов на процесс диспергирования дополнительно влияет вязкость матрицы. С увеличением вязкости увеличивается сдвиговая передача, но в то же время затрудняется деаэрация. Заключенный воздух действует как дополнительная граница раздела и может способствовать повторной агломерации. Поэтому контролируемое управление процессом, часто в вакууме, является важным критерием качества.

Свойства нанокомпозита в значительной степени зависят от качества дисперсии. Даже небольшие остатки агломератов могут вызывать дефекты в заготовке.