Автор: Ткачева Виктория Романовна

Рубрика: Машиностроение

Опубликовано в Техника. Технологии. Инженерия №1 (1) июнь 2016 г.

Дата публикации: 07.06.2016

Библиографическое описание:

Ткачева В. Р. Нанокомпозиты — будущее машиностроения // Техника. Технологии. Инженерия. — 2016. — №1. — С. 37-40.



XXI век характеризуется разработкой новых композиционных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности. К таким материалам относятся нанокомпозиты, обладающие высокими физическими и механическими свойствами по сравнению с другими композитами.

Ключевые слова: композиционный материал, нанокомпозит, матрица, армирующее вещество, ВИАМ, материаловедение.

С каждым годом применение композиционных материалов в промышленности увеличивается, следовательно и масштабы их производства увеличиваются. Кроме того, разрабатываются новые виды композитов, с улучшенными механическими, физическими и другими свойствами и качествами. К таким материалам относятся нанокомпозиты.

Внедрение нанокомпозитов приведет к революционным преобразованиям в самых различных областях промышленности, например, авиастроении, химии, энергетике, медицине, биологии, экологии и т.д. [1, стр. 224]

Нанокомпозиты представляют собой один из видов композиционных материалов. Это структурированные материалы, размер фаз которых менее 100нм. Чтобы понять данное определение, рассмотрим композиционные материалы, их предысторию, классификацию и применение.

Композиционный материал (КМ) — это материал, состоящий из двух и более компонентов: матрицы (связующего) и армирующих элементов (наполнителей). Схема строения композитного материала представлена на рисунке 1.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей, а композит, прерывистый и разъединенный в объеме, называется арматурой или армирующим элементом. Понятие «армирующий» означает «введенный в материал с целью изменения его свойств» [1, стр.10].

A description...

Рис. 1. Строение композитного материала: 1 — матрица; 2 — армирующая частица; 3 — армирующее волокно диаметром dВ; dС — толщина слоя в слоистом α — β композите; SЧ — расстояние между частицами

Все компоненты отличаются либо по своей природе либо по химическому составу. Кроме того они объединены в единую монолитную структуру с границей раздела. Сочетание различных компонентов позволяет получить комплекс новых улучшенных физических, химических и механических свойств, в сравнении со свойствами компонентов взятых в отдельности.

История композиционных материалов началась с античных времен, когда впервые человек научился сочетать несколько компонентов для создания материала с заданными свойствами. К таким материалам можно отнести первые кирпичи и гончарные изделия за 5000 лет до н.э, которые содержали солому скрепленную с глиной. В 3000 годах до н. э. появились речные суда, которые изготовлялись из композиционного материала, напоминающего современный композит (стекловолокнит). Такой материал представлял собой смесь двух компонентов — тростника, пропитанного битумом. [3]

Битум — это составная часть горючих ископаемых, к которой относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации ее залежей в результате химического и биохимического окисления, например, горная смола. [4]

Наиболее значимое в развитии не только КМ, но и для человечества в целом является изобретение бетона в начале первого тысячелетия.

Словом, история развития композиционных материалов очень стара. С каждым годом свойства композитов улучшаются, появляются новые, более легкие, прочные, пластичные виды КМ.

Несмотря на то, что композиты используются очень давно, термин «композиционный материал» стал применяться лишь в XX веке, когда был изобретен стеклопластик, применяемый в авиастроении. Наука же о КМ стала развиваться с момента основания ВИАМ (1932г.) и вошла в раздел материаловедения.

ВИАМ — Всероссийский исследовательский институт авиационных материалов; это крупнейшее материаловедческое государственное предприятие, которое на протяжении почти 80 лет разрабатывает материалы, определяющие облик изделий авиакосмической техники России и мира [5]

Независимо от времени появления, все композиты обладают общими свойствами. Они не встречаются в природе в том виде, в котором их создал человек. При их создании человек опирается на свойства, которые необходимо получить от материала в машиностроении, поэтому КМ представляют собой искусственно созданные материалы с заранее заданными механическими свойствами.

В сравнении с другими материалами, в частности с металлами и их сплавами, композиты легче и прочнее, поэтому их применяют в авиационной промышленности и ракетостроении, но КМ нашли применение и в быту, и в строительстве, и в текстильной промышленности, то есть во всех сферах жизни общества. Современную эпоху можно назвать веком композиционных материалов, классификация которых огромна и представлена на рисунке 2.

A description...

Рис. 2. Классификация композиционных материалов

Что же представляют собой КМ XXI века? Помимо изобретенных полимеров, в XXI веке применяются нанокомпозиты, являющиеся новой ступенью в развитии науки о материалах — материаловедении.

Под нанокомпозитами понимаются структуры, состоящие из множества повторяющихся компонентов — слоев (фаз), расстояние между которыми измеряется в десятках нанометров. Основной компонент — матрица с наноразмерным компонентом.

Для микроструктур данных композиционных материалов характерны уникальные свойства. Нанокомпозиты имеют в отличии от материалов обычных структур другие температуры плавления, они обладают высокой устойчивостью против коррозии и высокими механическими свойствами.

Необычность свойств наноматериалов такова, что можно сказать: начиная с конца XX века научно-технический прогресс человечества стал определяться наноматериалами и нанотехнологиями.

В крупных странах сформированы долговременные программы развития и практического использования наноматериалов. Главная проблема — практическое освоение технологий, обеспечивающих производство наноматериалов в достаточно больших объемах на рынках сбыта продукции [2, стр. 36].

В зависимости от типа матрицы, нанокомпозиционные материалы делятся на:

– нанокомпозиты на основе керамической матрицы;

– нанокомпозиты на основе металлической матрицы;

– нанокомпозиты на основе полимеров;

– слоистые нанокомпозиты.

Для создания нанокомпозитов применяются процессы, в результате которых происходит формирование наноструктур, а именно: кристаллизация, интенсивная пластическая деформация, фазовые превращения. Такие процессы протекают на «наноуровне» с помощью нанотехнологий.

Такие наноматериалы состоят из неограниченных наночастиц. Например, оксидов или силикатов. Что же представляет собой наночастица?

Наночастица — аморфная или полукристаллическая структура, имеющая хотя бы один характерный размер в диапазоне 1-100 нм. Согласно международной классификации (IUPAC) предельный размер наночастиц — 100 нм. Понятие наночастиц связано не с их размером, а с проявлением у них свойств в этом диапазоне.

В связи с этим возникают серьезные проблемы в получении нанокомпозитов — проблемы технологического и экономического характера, для устранения которых ученые XXI века разрабатывают новые, более совершенные и экономически выгодные методы получения данных композитов. Выбор метода получения композитов определяется областью, в которой они будут применяться (см. рисунок 3) и свойствами полученного продукта.

A description...

Рис. 3. Область применения нанокомпозитов

В заключение хотелось бы отметить, что значимость всех композиционных материалов для современной промышленности огромна. Сейчас композиты применяются в изготовлении различной продукции, начиная от пуговицы в текстильной промышленности и заканчивая лопастями винтов вертолетов и самолетов в авиастроении. С течением времени необходимо усовершенствование КМ, поэтому применение нанокомпозитов станет будущим машиностроения и других отраслей промышленности.

Литература:

  1. Леонов В.В. Материаловедение и технология композиционных материалов: курс лекций// В.В. Леонов — Красноярск: 2007. — 241с.
  2. Анциферов В.Н. Новые материалы: учебное пособие // В.Н. Анциферов; Ф.Ф. Бездудный и др. под редакцией проф. Ю.С. Карабасова — М: «МИСИС», 2002. — 736с
  3. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.p-km.ru/ — История и причины создания композиционных материалов. — (Дата обращения: 15.04.16)
  4. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://forexaw.ru/ -Битум (Asphalt). — (Дата обращения:19.04.16г.)
  5. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.viam.ru/ — История. — (Дата обращения: 25.04.16г.)
Основные термины (генерируются автоматически): композиционных материалов, механическими свойствами, Режим доступа, применение композиционных материалов, новых композиционных материалов, видов композиционных материалов, веком композиционных материалов, Классификация композиционных материалов, композиционных материалов характерны, История композиционных материалов, композиционного материала, развития композиционных материалов, КМ XXI века, технология композиционных материалов, композитного материала, создания композиционных материалов, высокими механическими свойствами, пластичные виды КМ, объеме композиционного материала, свойствами компонентов.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Посетите сайты наших проектов