Наноматериалы
Наноматериалы – это материалы, которые были созданы с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий и обладают какими-либо уникальными свойствами.
Способы получения наноматериалов можно разделить на две основные группы: диспергирование макроскопических материалов и сборка из атомов. Выделяют следующие основные типы современных наноматериалов: нанокристаллы, нанокластеры, нанопористые структуры, наноструктурированные пленки и поверхности, наночастицы, коллоиды или нанодисперсии, нанотрубки, наноленты, нановолокна. Наноматериалы классифицируются по следующим признакам:
- Назначение. Согласно данному признаку наноматериалы делятся на конструкционные, функциональные, композиционные.
- Количество измерений. Согласно данному признаку наноматериалы делятся на нульмерные - сфероидные наночастицы и квантовые точки; одномерные - нанотрубки и квантовые проводники; двумерные - поверхности разделов и тонкие пленки; трехмерные - нанокластеры, многослойные структуры с наноразмерными дислокациями и сверхрешетки.
Сверхрешетка – это периодическая последовательность слоев толщиной от 1 до 10 нанометров различного химического состава.
В большинстве случаев свойства наноматериалов отличаются от аналогичных свойств материалов в массивном состоянии. У наноматериалов наблюдается изменение магнитных, тепловых и электропроводных свойств. В особо маленьких материалах можно заметить изменение температуры плавления в сторону снижения.
Тепловые характеристики наноматериалов
К тепловым характеристикам относятся:
- Температура плавления, которая определяется для материалов с кристаллической решеткой, переходящих из твердого состояния в жидкое при определенной температуре.
- Температура размягчения, которая определяется для материалов с аморфной структурой, переходящих из твердого состояния в жидкое в определенном интервале температур.
- Теплостойкость, которая позволяет оценивать стойкость материала к кратковременному нагреву.
- Холодостойкость - способность материала выдерживать низкие температуры. При низкой температуре механические свойства материалов, такие как гибкость и пластичность ухудшаются. По этой причине испытания на холодостойкость проводятся при одновременном воздействии вибраций.
- Нагревостойкость, которая заключается в способности материала выдерживать действие повышенной температуры, продолжительность которого равняется сроку нормальной эксплуатации и не сопровождающееся ухудшением свойств.
- Теплопроводность, характеризующая процесс переноса тепла к менее нагретым частям от более нагретых. Численно данная характеристика определяется коэффициентом теплопроводности. Чем ниже данный коэффициент, тем больше вероятность теплового пробоя.
- Тепловое расширение, которое оценивается коэффициентом линейного расширения равного относительному увеличению линейного размера при изменении температуры на 1 градус по Цельсию.
Тепловые свойства некоторых наноматериалов
Одними из самых известных и наиболее распространенных наноматериалов являются углеродные нанотрубки. Данные материалы обладают уникальными тепловыми свойствами, делающими их особенными для разработки новых материалов. Их теплопроводность намного лучше, чем у алмаза. У одностенной углеродной нанотрубки теплопроводность при комнатной температуре вдоль оси составляет 3500. Ее температурная стабильность на воздухе около 750 градусов по Цельсию, а в вакууме может достигать 2800 градусов по Цельсию. Они используются в производстве бейсбольных бит, сенсорных устройств, плоских дисплеев, спортивного оборудования, морских красок, ветряных турбин, сканирующих зондовых микроскопов и хоккейных клюшек. Теплопроводность большинства углеродных наноматериалов существенно отличается от других аллотропных форм углерода. Например, коэффициент теплопроводности материала, который наполнен нанотрубками в 60 раз меньше, чем у графита.
Нанодисперсии или наножидкости являются перспективным наноматериалом, представляющими собой жидкость, в которой содержатся частицы и агломераты частиц размером от 0,1 до 100 нанометров. Перспективным материалов их делают уникальные тепловые свойства. Нанодисперсии обладают значительно увеличенными теплопроводностью и конвективным коэффициентом передачи тепла по сравнению с жидкостями-носителями. Использование сильноразбавленных наножидкостей в качестве носителя тепла значительно увеличивает плотность критического теплового потока в установках кипящего типа. Они используются при производстве топливных элементов, в фармацевтике, микроэлектронике и при изготовлении гибридных двигателей. Хорошими тепловыми свойствами также обладает графен, к таким свойствам относятся высокая теплопроводность и термическая стабильность.
