Одностадийная технология нанокомпозитов

В качестве технологического приема консолидации дисперсных частиц в макрообразец часто используют введение дисперсного наполнителя в определенную матрицу. Свойства получаемого композита зависят от свойств как наполнителя, так и матрицы.

Только при использовании наночастиц можно получить нанкомпозит, свойства которого будут многократно превосходить свойства такого же по химическому составу композита традиционной технологии. Улучшение свойств матрицы за счет введения дисперсных, но выходящих за пределы наноразмерного диапазона, частиц будет многократно меньше.

Традиционно усилия большинства исследователей сосредоточены на разработке только одной технологической операции нанотехнологии: или на получении наночастиц, или на их компактировании. Но такое разделение технологических процессов в пространстве и во времени экономически не оправдано и не может служить основой промышленного производства нанокомпозитов конструкционного назначения.

Нами разработаны теоретические основы и технологические принципы одностадийной технологии объемных нанокомпозитов конструкционного назначения, они реализованы на примере одностадийной технологии нанокомпозита системы углерод – углерод.

Углерод выбран потому, что его научный и технический потенциал наиболее востребован в современных условиях. Количество только известных химических соединений углерода многократно превышает суммарное количество соединений всех остальных элементов таблицы Д.И.Менделеева. Это соотношение существенно увеличилось после открытия фуллеренов, углеродных нанотрубок и их производных.

Углерод в аллотропной модификации графита выделяется среди всех известных химических элементов и их соединений способностью оставаться в твердой фазе при температурах свыше 4000oС и только на его основе создано крупнотоннажное производство углеродных материалов конструкционного назначения.

Схема формирования наноструктуры композита и экспериментальный результат представлены на рисунке. Наночастицы углерода в аллотропной модификации графита и связывающая их углеродная матрица формируются одновременно в одном химическом реакторе в едином технологическом процессе. Это составляет суть одностадийной технологии объемных нанокомпозитов. Из сопоставления рисунков видно, что эксперимент не противоречит его теории.

Рисунок 1. Схема формирования структуры нанокомпозита в едином технологическом процессе:
а – матрица,
б - наночастицы,
в – схема связывания наночастиц матрицей;

слева – теоретическая модель,
справа – структура реального нанокомпозита системы углерод-углерод

Свойства углеродного нанокомпозита, как и следует из теоретического анализа, многократно превосходят свойства углеродных материалов традиционной технологии: по прочностным показателям – в 3 раза, по коэффициенту трения в жидких средах – в 5 раз, по коэффициенту катодного распыления – в 15 раз, по химической стойкости в окислительных средах – до 300 раз. Кроме того, углеродный нанокомпозит обладает уникальным сочетанием свойств: он химически и биологически инертен, непроницаем для жидкости и газа, радиационностоек, по высокотемпературной удельной прочности превосходит вольфрам. Такой комплекс свойств выгодно отличает углеродный нанокомпозит от большинства традиционных материалов конструкционного назначения.

Промышленная технология углеродного нанокомпозита отработана в производственных условиях на пластинах, трубах и натурных изделиях с габаритными размерами до 200 мм и толщиной стенки до 10 мм.

Предлагаемый подход может быть использован для создания одностадийной технологии наносистем матрица-наполнитель другого химического состава.