На cегoдня бoльшинcтвo oблаcтей еcтеcтвенных наук cвязанo c мирoм oбъектoв, oбъединенных oпределением нанo. Вo вcех развитых cтранах мира нанoматериалы и нанoтехнoлoгии иcпoльзуютcя в наибoлее значимых oблаcтях челoвечеcкой деятельноcти – промышленноcти, обороне, информационной cфере, радиоэлектронике, энергетике, транcпорте, АПК, биотехнологии и медицине. Оcобое меcто принадлежит наночаcтицам, открывающим новые перспективы в миниатюризации (например, плотности расположения на поверхности кристаллов в микроэлектронике).
Нанофазное материаловедение имеет свои особенности и отличается от традиционного созданием принципиально новых материалов, технологий и оборудования для работы с такими материалами. В свою очередь переход к высоким технологиям требует создания принципиально новых конструкционных материалов, функциональные параметры которых определяются свойствами формирующихся нужным образом микрообластей, а также процессами, протекающими на атомном, молекулярном уровнях, в монослоях и нанообьемах.
Когда частицы достигают размера наношкалы, происходит изменение фундаментальных свойств вещества. Из-за нескомпенсированности связей поверхностных атомов наноразмерных частиц их свойства подобны атомным поверхностным свойствам кристаллов, обусловленным особенностями расположения на границе раздела фаз, взаимодействия и движения атомов вблизи их граней: нарушением трансляционной симметрии, меньшим числом соседних атомов, более сильными анизотропией и ангармонизмом колебаний. Как результат, во-первых, возрастает способность к адсорбции, ионному и атомному обмену, контактным взаимодействиям структурных элементов и т.п., а во-вторых, осложняется интерпретация поведения таких частиц из-за невозможности разделения их объемных и поверхностных свойств.
Обычно технологические решения получения частиц нанометрового диапазона разделяют на диспергирующие – измельчение обычных порошков и конденсатные – формирование частиц из отдельных атомов, как правило, в ходе фазовых превращений. Отличным от указанных можно считать метод гидротермального синтеза.
Метод гидротермального синтеза нанокристаллических порошков оксидов и гидрооксидов алюминия осуществляется сжиганием алюминия в водных средах с одновременным получением водорода и тепла. Для обеспечения полноты сжигания порошка алюминия в водных средах увеличивают скорость диффузии за счет активации порошков алюминия путем замены прочной оксидной пленки на полимерную водорастворимую и применения воды при около- или сверхкритических параметрах ее состояния.
Активация алюминия может осуществляться, например, по технологии предварительного измельчения выпускаемых промышленностью алюминиевых порошков в среде водорастворимого полимера, что обеспечивает замену оксидной пленки на полимерную, которая хорошо защищает поверхность алюминия от окисления кислородом воздуха. В водной среде полимерная пленка растворяется, и частицы алюминия вступают в реакцию с молекулами воды. При сверхкритических параметрах воды (Т = 374,2ºС, Р = 22,04 МПа) почти полностью разрушаются водородные связи и молекулы воды не проявляют взаимосвязанности. Коэффициенты диффузии очень велики, сопротивление массообмену практически отсутствует, так что обеспечиваются все условия для быстрого протекания реакции. Исследованные направления активации процесса окисления алюминия в водных средах могут быть реализованы как независимо, так и совместно. Например, химически пассивные даже в кипящей воде алюминиевые порошки будут окисляться с высокой скоростью в сверхкритической воде, а повышение реакционной активности алюминия путем замены диффузионно-непроницаемой оксидной пленки на водорастворимую полимерную позволит обеспечить достаточно высокую степень его окисления при докритических параметрах состояния воды. Однако, максимальная скорость и полнота окисления порошков алюминия обеспечиваются при сверхкритических параметрах состояния водной среды.
В процессе гидротермального синтеза происходит превращение частиц алюминия размером до десяти микрон в нанокристаллические оксиды и гидрооксиды. Способ включает приготовление суспензии мелкодисперсного алюминия в воде, создание в реакторе давления насыщенных паров, распыление суспензии в реактор высокого давления, вывод из реактора гидроксида алюминия в приемное устройство, удаление из реактора водорода и его сбор.
Способ позволяет менять форму и структуру частиц и получать материалы высокой чистоты (до 99,99% масс, содержания основного компонента). Отработаны технологические режимы процесса, позволяющие менять форму частиц от равноосной (в диапазоне размеров от десятков до сотен нанометров) до нитевидной с отношением длины к поперечнику 20…50 и удельной поверхностью 35…750 м2/г. Меняя условия, можно получать различные структуры материала: гидраргиллит, бемит, гамма и альфа оксид алюминия.
Нанокристаллические частицы обладают повышенной поверхностной энергией и активны к синтезу новых материалов, спеканию, адсорбции и т.д. Учитывая их более высокую стоимость по сравнению с промышленными марками глинозема и электрокорунда, можно сказать, что существует свой рынок применения таких порошков, который в настоящее время изучен недостаточно.
Совместно с рядом научно-исследовательских организаций проведена экспериментальная оценка влияния модифицирующих добавок бемита на структуру и свойства различных материалов.
Рассмотрим более подробно результаты испытаний смазочных масел и пластичных смазок с добавкой нанокристаллического бемита, полученные на разных установках в лабораторных условиях.
В результате введения около 0,01% бемита в индустриальное масло И-20 износ детали уменьшается в 5,9 раза, а пластины в 5,6. В смазке солидол (концентрация около 9%) износ уменьшился соответственно в 2,1 и 2,8 раза. Таким образом, порошок бемита повышает противоизносные и в меньшей мере противозадирные свойства смазочных масел и неорганических смазок и в перспективе может быть использован в таких смазках. Нанокристаллический бемит способен обеспечить необходимую структуру различным материалам. В качестве структурирующего компонента его применяли в составе ферромагнитного композита предназначенного для полирования высокотвердого кремния и стекла. Шероховатость поверхности снизилась до 100 нм, интенсивность съема возросла в 1,5 раза. Опробовано применение нанокристаллического порошка корунда в составе полимерного композиционного материала. Образцы из композиционного материала на основе стеклоткани марки Т-10 и эпоксидной смолы ЭД-6 покрывали слоем, состоящим из смолы и корунда. Микротвердость материала увеличилась в два раза. Выданы рекомендации по использованию подобных покрытий в тонкостенных конструкциях, подвергающихся действию подвижных абразивных сред. Нанокристаллический бемит вводили также в фольгу в качестве упрочняющей фазы (1%). На 30…40% увеличилась микротвердость и повторяемость микрорельефа никелевых копий. Введение нанокристаллического бемита (5…30 масс.%) в порошок корунда и глинозема приводит к замедлению процесса рекристаллизации. В результате прочность материала увеличилась на 35%, коэффициент трещиностойкости на 25%. Одно из важных свойств наноразмерного бемита – его способность связывать ионы металлов (в т.ч. радиоактивных) в водных растворах путем хемосорбции. Большая удельная поверхность обеспечивает высокоэффективную очистку водных и газовых сред также и от патогенных микроорганизмов, вирусов и токсинов. Апробировано применение нановолокон бемита как для очистки питьевой и технологической воды, так и для улавливания из промывных вод ценных металлов с целью снижения их потерь в технологическом процессе. Слой бемита в несколько сантиметров способен очистить большой объем воды от примесей металлов и фтора, исходная концентрация которых может составлять десятки миллиграмм на литр, с эффективностью, близкой к 100%. Исследовано влияние добавки нанокристаллического бемита в консервационные составы для защиты металлических деталей. Ускоренные климатические испытания показали, что 1…5% масс добавки бемита снижают коррозионные потери в несколько раз. Добавка бемита существенно уменьшает износ втулочно-роликовых цепей, что проявляется в уменьшении удлинения звеньев цепи.
