X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

«Умными» называют класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию материалов, которые объединяет проявление одной или нескольких физических (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических (реологических и др.) характеристик, значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля и др.

«Умные» разнородные материалы часто используют, как сенсоры, чувствительные к какому-либо внешнему воздействию, либо в качестве «актуаторов», вызывающих искусственно совершаемое действие при подаче контролирующего сигнала. Наиболее часто к «умным» материалам относят пьезоэлектрики (альфа-кварц, титанат-цирконат свинца), выступающие в роли «сенсоров» или «актуаторов». В последнее время к ним же причисляют термоэлектрики, мультиферроики, магнитокалорические материалы, материалы с эффектом гигантского магнетосопротивления, магнитореологические, электрореологические жидкости, материалы, обладающие эффектом памяти формы (нитинол и др.), термо- и фоточувствительные полимеры. К «умным» материалам можно отнести полимерные гели, способные в сотни раз изменять свой объём (коллапс геля) при небольшом изменении внешних условий (температуры, состава растворителя, водородного показателя среды — pH). Различные полимерные покрытия, значительно изменяющие свои электропроводящие, оптические и другие свойства при сорбции определенных веществ, применяются в сенсорах приборов для мониторинга окружающей среды, в частности, для определения концентрации токсичных веществ.

Далеко не все «умные» материалы непосредственно относятся к категории наноматериалов, однако они часто находят применение в области нанотехнологий. Так, сегнетоэлектрики (пьезоэлектрики) используются для создания высокоточных позиционирующих устройств (в частности, для сканирующей зондовой микроскопии), в магнитореологических жидкостях применяются высокодисперсные магнитные частицы (наночастицы). Ряд наноустройств создан на базе пьезоэлектриков (нановесы, одномерные наноструктуры из титаната бария или оксида цинка, использующиеся для генерации электроэнергии и т. д.).

Существует много типов «умных» материалов, основные следует рассмотреть подробнее:

Сплавы с «эффектом памяти» («памятью формы») после деформации восстанавливают свою первоначальную форму при нагреве. Сплав с «эффектом памяти» фиксируют в исходной форме, которую он и «запоминает», затем подвергают отжигу при 500 ⁰С. В процессе отжига образуется неупругая твердая высокотемпературная фаза сплава – аустенит. При последующем охлаждении образца формируется упругая, легко деформируемая низкотемпературная фаза – мартенсит. При последующей деформации и нагреве сплава атомы образуют аустенитную решетку и форма образца восстанавливается. Наиболее известным сплавом с эффектом памяти является никелево-титановый сплав – нитинол. Существуют также и полимеры с «памятью формы», которые возвращаются к исходной форме после воздействия света, электричества, магнитного поля и растворителей. Сплавы с «эффектом памяти» нашли множество применений. Например, в медицине, устройствах автоматического включения/выключения, регуляторах. Например, пружинная шайба из такого сплава для болтовых соединений не дает увеличиваться переходному сопротивлению при эксплуатации электрического контакта.

Самовосстанавливающиеся материалы могут самостоятельно залечивать возникающие в них дефекты. На сегодняшний день самовосстановление наиболее успешно реализовано в полимерах, благодаря их относительно большим скоростям диффузии из-за наличия поперечных молекулярных связей. Один из способов создания самовосстанавливающихся полимеров состоит в использовании термореактивных полимеров и их способности к упрочнению за счет сшивания полимерных цепей. В полимер внедряют тонкостенные инертные хрупкие капсулы с залечивающим веществом, при возникновении трещины капсула ломается, залечивающий агент высвобождается и распространяется в трещину по капиллярам. При этом, он смешивается с катализатором и отвердителем, заранее внедрёнными в материал (отдельно друг от друга), затвердевает и герметизирует трещины, рисунок 1.

Рис.1. Самовосстанавливающийся материал с капсулами с залечивающим агентом

Большое число работ посвящено изучению такого типа материалов на примере композитов на эпоксидной основе с микрокапсулами из дициклопентадиена и введенным в состав материала катализатора Граббса или микрокапсулами из полиэфирной смолы в оболочке из поликарбамид-формальдегида. Другой подход включает использование термопластичных полимеров с различными способами включения залечивающего агента в материал. При этом часто требуется нагрев для инициирования восстановления, так как термопласты размягчаются и становятся текучими при повышении температуры. Интересным способом является нагрев самовосстанавливающегося композита, который происходит за счет протекания тока по наполнителю – углеродным волокнам. Помимо полимеров, в настоящее время разрабатываются керамические самовосстанавливающиеся материалы. В самовосстанавливающихся керамических материалах часто используются окислительные реакции, при этом объем оксида превышает объем исходного материала. Как результат, продукты этих реакций из-за увеличения объема могут быть использованы для заполнения небольших трещин.

Самосмазывающиеся материалы уменьшают трение или износ. Существует несколько методов уменьшения трения или износа поверхностей материалов. Один из них – это нанесение самосмазывающихся покрытий, которые либо достаточно прочны, чтобы уменьшать износ, либо имеют низкую поверхностную энергию и за счет этого уменьшают адгезию и трение. Также разрабатываются самосмазывающиеся металлические, полимерные и керамические композиты. Например, в нанокомпозитах наполнитель, углеродные нанотрубки или фуллерены С60, играют роль «подшипников» и уменьшают трение. В композит, изготовленный на основе меди методом порошковой металлургии, добавляли политетрафторэтилен, а пористый полифениленсульфидный композит модифицировали добавлением 1 % массы цеолита и пропитали составом на литиевой основе, что позволило уменьшить коэффициент трения на 90% .

Один из методов создания самосмазывающихся материалов заключается в формировании слоя смазки в процессе трения за счет химической реакции. Такая реакция может происходить вследствие механического контакта. Защитный слой меди, например, образуется при трении на металлической поверхности за счет переноса ионов меди из медьсодержащих сплавов (например, бронзы) или смазки. Также защитный слой может быть образован при химической реакции окисления или реакции с водяным паром.

Оксид бора реагирует с водяными парами в воздухе с образованием защитного покрытия из борной кислоты: B₂О₃ + 3H₂О → 2H₃BО₃

Защитное покрытие, в свою очередь, приводит к снижению трения и износа. Благодаря слоистой кристаллической структуре, борная кислота похожа на другие твердые частицы, с хорошими смазывающими свойствами (например, MoS₂, графит и гексагональный нитрид бора). Для объяснения механизма самосмазывания некоторыми исследователями предложена модель триклинной кристаллической структуры борной кислоты. Атомы, составляющие каждую молекулу борной кислоты, расположены в плотно упакованных слоях, находящихся на расстоянии 0,318 нм друг от друга, которые связаны слабыми силами, такими как ван-дер-ваальсовы. Исследователи предположили, что во время скольжения эти слои могут выравниваться параллельно направлению относительного движения и потом они легко скользят друг относительно друга, обеспечивая низкий коэффициент трения. Еще один способ создания самосмазывающихся материалов – это создание микротекстурированной поверхности, за счет чего образуется рельеф с микровпадинами, которые играют роль резервуаров для смазки.

Самоочищающиеся материалы отталкивают воду, органические жидкости и прочие загрязнения.

Свойство самоочистки микроструктрированных поверхностей основано на том, что микроструктуры и узоры могут поддерживать капельку воды с воздухом, заключенным в промежутках между структурами. Такой тип соприкосновения увеличивает угол контакта с водой благодаря поверхностному натяжению и, следовательно, капелька воды может перекатываться по микроструктурированной поверхности, удаляя тем самым пыль, т.е. обеспечивая самоочистку.

Формулами, описывающие основные соотношения являются:

В уравнениях (1) и (2) θ_r - краевой угол смачивания; θ_e – краевой угол смачивания капли жидкости на плоской поверхности, изготовленной из материала поверхности; r - отношение фактической площади контакта жидкость – твердое тело к площади проекции на горизонтальную плоскость; fs - доля площади контакта жидкость – твердое тело (рисунок 2).

Водоотталкивающая способность на поверхности характеризуется краевым углом смачивания – параметром θ_r в уравнениях (1) и (2).

Рис. 2. Капля жидкости на микроструктурированной поверхности.

Новый метод позволяет создавать самоочищающиеся покрытия путем объединения двух распространенных материалов – тефлона и термоусаживаемой пластмассы. Исследователи, проводившие описываемое исследование, решили, что ключом к хорошей супергидрофобной поверхности является сочетание микро- и наноразмерных узоров. Они нанесли тефлон на термоусаживаемый пластик, затем нагрели и получили морщинистую поверхность тефлона. Угол контакта капель с такой поверхностью равен 172 °, это означает, что шарики воды едва касаются поверхности. Разработанное покрытие является почти таким же прочным, как алюминиевое. При появлении царапин водоотталкивающие свойства покрытия сохраняются.

Суперотталкивающие свойства придают тканям функцию самоочистки, включающую в себя, как физическое очищение от загрязнений, так и процесс химической самоочистки, заключающийся в деградации цветных пятен и растворов при воздействии УФ-облучения, а также биологическую функцию – антибактериальные свойства. Например, свойства самоочистки придает ткани из хлопка добавление наночастиц TiO₂ или наностержней ZnO. Самоочищающееся покрытие на основе TiO₂ может также использоваться для защиты исторических зданий и памятников.

Таким образом, в настоящее время мы являемся свидетелями перехода от использования материалов свойства, которых определяются только их структурой к высшему классу «умных» многофункциональных материалов со свойствами, реагирующими на внешние факторы, которые смогут усовершенствовать многие виды товаров и способствовать появлению новых.

Список литературы

https://videonauka.ru/stati/19-materialovedenie/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor (23.12.17 )

https://worldofmaterials.ru/spravochnik/special-materials/142-intellektualnye-materialy (23.12.17)

https://ru.wikipedia.org/wiki/Умные_материалы (23.12.17)

http://popnano.ru/studies/index.php?id=66&task=view (23.12.17)

Код для цитирования: Скопировать