Гибридный композиционный материал
HYBRID COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно, к композиционным наноматериалам.
Известны композиционные материалы с металлической матрицей [Композиционные материалы: строение, получение, применение. Батаев А.А., Батаев В.А., изд. Логос, 2006, 398 стр.].
Однако высокая плотность металлов не позволяет получать легкие изделия.
Известны гибридные полимер-металлические материалы [Bangwen Zhang и др. Novel 1-3 metal nanoparticle/polymer composites induced by hybrid external fields. Composites Science and Technology, 2006, Volume 66, Issues 11-12, Pages 1558-1563], состоящие из полимера и металлического наполнителя.
Такой материал легче металлического материала, но не обладает высокой прочностью.
Наиболее близким техническим решением является композиционный материал, содержащий полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита с упрочняющими наночастицами. [Pooria Karami и др. Polymer/nanodiamond composites - a comprehensive review from synthesis and fabrication to properties and applications. Advances in Colloid and Interface Science, 2019, Volume 269, Pages 122-151].
Однако не всегда такой материал может удовлетворить требованиям прочности и является не электропроводным.
Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является повышение прочности материала при сниженной плотности, а также обеспечение возможности электропроводности материала.
Технический результат достигается в изобретении следующим образом.
Гибридный композиционный материал содержит матрицу из полимерного нанокомпозита, состоящую из полимерной матрицы и упрочняющих наночастиц, и наполнитель из гранул металломатричного нанокомпозита, состоящих из металлической матрицы и упрочняющих наночастиц. Матрица из полимерного нанокомпозита содержит 3-65 об. % упрочняющих частиц. Гибридный композиционный материал содержит 1-60 об. % наполнителя из гранул металломатричного нанокомпозита, который состоит из металлической матрицы и 10-65 об. % упрочняющих наночастиц. Размер гранул металломатричного нанокомпозита составляет 0,5-500 мкм при отношении максимальномо размера гранулы к минимальному не более 3. Размер упрочняющих частиц в матрице из полимерного нанокомпозита составляет 0,1-50 размеров упрочняющих наночастиц наполнителя.
Кроме того, полимерная матрица выполнена из эпоксидной смолы или полиэтилентерефталат.
Также металлическая матрица выполнена из меди, или алюминия, или никеля, или хрома, или железа, или вольфрама, или титана, или циркония, или их сплавов.
Кроме того, упрочняющие частицы в матрице и наполнителе выполнены из одного и того же материала.
Также упрочняющие частицы матрицы и наполнителя имеют размер, не превышающий 100 нм, и выполнены из наноалмазов, или луковичнообразных углеродных наночастиц, или фуллеренов, графитовых наночастиц, или графена, или сажи, или карбида титана, или карбида кремния, или карбида хрома, или карбида вольфрама, или карбида лития, или карбида циркония, или карбида бора, или оксида алюминия, или оксида титана, или оксида кремния, или нитрида титана, или нитрида алюминия, или нитрида циркония, или нитрида бора.
Также в матрице упрочняющие наночастицы выполнены из электропроводящего материала и их содержание составляет не менее 40 (% об.).
Кроме того, в наполнителе содержание гранул составляет не менее 20 (% об.).
Также упрочняющие наночастицы в наполнителе находятся в неагломерированном состоянии.
Также в наполнителе гранулы снабжены покрытием из углерода, или оксида кремния, или никеля.
Кроме того, материал содержит дополнительный наполнитель из упрочняющих частиц оксида кремния размером от 5 мкм до 1 мм при концентрации 5-50% (объемных).
Согласно изобретению преимуществом гибридного композиционного материала в целом является его пониженная плотность при повышенной прочности. При этом упрочняющие наночастицы возможно изготавливать из электропроводного материала, что позволит обеспечить электропроводность всего материала.
Повышение прочности достигается за счет того, что весь гибридный материал состоит из композитов: и металлическая, и неметаллическая составляющие.
Содержание наполнителя из металломатричного композита не должно быть меньше, чем 1 (% об.), так как это не приведет к упрочнению. В то же время превышение содержания гранул более 60 (% об.) приведет к снижению прочности из-за снижения количества связывающего материала.
Размер упрочняющих наночастиц в матрице равен 0,1-50 размерам упрочняющих наночастиц в наполнителе. Упрочняющие частицы являются наноразмерными, их размер не превышает 100 нм. Минимальный размер упрочняющих частиц может быть менее 1 нм. Такой разброс размеров упрочняющих наночастиц в одном материале нежелателен, так как это приведет к неоднородности свойств в микрообъемах, что может привести к появлению нежелательных дополнительных напряжений и деформаций. Желательно, чтобы не менее 80% упрочняющих частиц имели размер, не отклоняющийся от среднего значения более чем на 20%.
Очень большое различие в размерах упрочняющих частиц в полимерной матрице и наполнителе также нежелательно по нескольким причинам. Особенностью предлагаемого материала является то, что как в матрице, так и в наполнителе присутствуют упрочняющие наночастицы. Если упрочняющие частицы из разных композитов будут иметь непосредственный контакт, то место контакта будет ослабленным местом. Такие контакты маловероятны в том случае, когда наночастицы будут одного размера. В случае большой разницы в размерах вероятность появления ослабленных контактных зон увеличивается. Например, в случае наличия упрочняющей частицы размером 100 нм на поверхности гранулы металломатричного композита, окруженной полимерным композитом матрицы с упрочняющими частицами размером 1 нм; вероятность появления многочисленных зон контакта между упрочняющими наночастицами очень высока. Согласно изобретению, в гибридном композиционном материале размеры упрочняющих наночастиц в матрице из полимерного нанокомпозита равны 0,1-50 размерам упрочняющих наночастиц в наполнителе из металломатричного композита. В этом случае вероятность контакта упрочняющих частиц между собой снижена.
Кроме этого, значительная разница в размерах упрочняющих наночастиц в матрице и в наполнителе приведет к различию свойств в микрообъемах материалов и неоднородности свойств по сечению. Согласно изобретению, в гибридном композиционном материале концентрация упрочняющих частиц в полимерном нанокомпозите, то есть в матрице, находится в пределах 3-65 (% об.), а концентрация упрочняющих наночастиц в металломатричном композите, то есть в наполнителе, находится в пределах 10-65 (% об.). Для повышения прочности материала, содержание упрочняющих частиц в матрице не может быть менее 3 (% об.), в противном случае упрочняющий эффект не наблюдается, и не может быть более 65 (% об.), в противном случае появляются многочисленные контакты между упрочняющими частицами, что приводит к понижению прочности.
Для повышения прочности всего материала важную роль играет прочность наполнителя. Снижение содержания упрочняющих частиц в наполнителе из металломатричного композита менее 10 (% об.) не позволит обеспечить высокий уровень прочности вследствие снижения упрочняющего эффекта от наличия упрочняющих частиц; а повышение содержания упрочняющих частиц более 65 (% об.) приведет к появлению зон контакта частиц между собой, что также вызовет снижение прочности.
В гибридном композиционном материале полимерная матрица может быть выполнена из эпоксидной смолы или полиэтилентерефталат. Эпоксидная смола обеспечивает высокую прочность гибридного нанокомпозита, не требует термической обработки. Полиэтилентерефталат обеспечивает прочность сцепления между компонентами. Несмотря на то, что при производстве композита потребуется применить нагрев, такой композит является технологически приемлемым и позволяет достигать высоких значений прочностных показателей.
Предлагаемый гибридный композиционный материал является многофункциональным и его свойствами можно варьировать, например, посредством металлической составляющей. Согласно изобретению металлическая матрица выполнена из меди, или алюминия, или никеля, или хрома, или железа, или вольфрама, или титана, или циркония, или их сплавов. Медь и алюминий позволит обеспечить удовлетворительную электропроводность. Возможно применение магнитных материалов (железо, хром и др.). Высокую коррозионностойкость обеспечат вольфрам, титан, цирконййгибридном композиционном материале упрочняющие частицы в матрице и наполнителе выполнены из одного и того же материала. Это снизит вероятность контакта упрочняющих частиц между собой, то есть снизит вероятность появления ослабленных зон.
В гибридном композиционном материале упрочняющие частицы в матрице и наполнителе имеют размер, не превышающий 100 нм, и выполнены из наноалмазов, или луковичнообразных углеродных наночастиц, или фуллеренов, графитовых наночастиц, или графена, или сажи, или карбида титана, или карбида кремния, или карбида хрома, или карбида вольфрама, или карбида лития, или карбида циркония, или карбида бора, или оксида алюминия, или оксида титана, или оксида кремния, или нитрида титана, или нитрида алюминия, или нитрида циркония, или нитрида бора. Наибольший размер наночастиц (по определению наноматериалов) равен 100 нм. Выбор конкретного материала для повышения прочности зависит от условий работы и экономического фактора. Наноалмазы являются материалом для эффективного упрочнения как металлической, так и полимерной матрицы. Размер первичной наноалмазной частицы равен порядка 5 нм. Другие углеродные наночастицы (луковичнообразные углеродные наночастицы (ЛУН), фуллерены, графитовые наночастицы, графены, сажа) также являются эффективным материалом для упрочнения матрицы композиционного материала. ЛУН и графитовые наночастицы являются материалом с удовлетворительной электропроводностью, их можно применять для получения электропроводящих композитов. Карбиды, оксиды и нитриды также позволяют эффективно упрочнять матрицу композиционных материалов.
В гибридном композиционном материале упрочняющие наночастицы в матрице выполнены из электропроводящего материала, при этом их содержание составляет не менее 40 (% об.), что является условием проявления эффекта перколяции, за счет которого достигается электропроводность материала. Наполнитель из металломатричного нанокомпозита является электропроводящим материалом, но его положительное влияние на электропроводность всего материала становится заметным только при содержании гранул в наполнителе не менее 20 (% об.).
В гибридном композиционном материале упрочняющие наночастицы в наполнителе из металломатричного нанокомпозита находятся в неагломерированном состоянии. В этом случае отсутствуют контакты упрочняющих частиц между собой, то есть отсутствуют ослабленные зоны. Достичь такого состояния возможно применением механического легирования при производстве металломатричных нанокомпозитов.
В гибридном композиционном материале в наполнителе размер гранул металломатричного композита находится в пределах 0,5-500 мкм, причем отношение максимального размера гранулы к минимальному не превышает 3. При увеличении отношения максимального размера гранулы к минимальному более 3 усложняется замешивание гранул в полимерном нанокомпозите. Увеличение размера гранул металломатричного нанокомпозита более 500 мкм приведет к различию свойств в микрообъемах и ухудшению качества поверхности изделий. Снижение размера гранул менее 0,5 мкм приведет к усложнению процесса замешивания.
В гибридном композиционном материале в наполнителе гранулы металломатричного композита снабжены покрытием из углерода, или оксида кремния, или никеля. Такое покрытие облегчает процесс замешивания гранул в полимерной матрице согласно изобретению, гибридный композиционный материал содержит дополнительный наполнитель из упрочняющих частиц оксида кремния размером от 5 мкм до 1 мм при концентрации 5-50 (% об.). Такая добавка позволит значительно увеличить прочность композита на сжатие. Эффект увеличения прочности не будет заметен при концентрации дополнительного наполнителя менее 5%, увеличение концентрации второго наполнителя более 50% приведет к снижению прочности из-за появления многочисленных контактов частиц оксида кремния между собой. Второй наполнитель вводится для увеличения прочности на сжатие. Снижение размера частиц второго наполнителя менее 5 мкм приведет к увеличению стоимости, но не окажет положительного влияние на прочность. Увеличение размера частиц второго наполнителя более 1 мм приведет к возможности разрушения частиц при сложных нагрузках, что может привести к разрушению всего материала.
Пример 1.
Гибридный композиционный материал содержит полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита на основе эпоксидной смолы с упрочняющими наноалмазными частицами и наполнитель из гранул металломатричного композита с алюминиевой матрицей и упрочняющими наноалмазными частицами. Содержание гранул металоматричного композита (наполнителя) равно 60 (% об.). Размер первичной наноалмазной частицы равен 5 нм. Материал упрочняющих частиц в полимерной матрице и в металломатричном нанокомпозите один и тот же с одинаковым размером частиц. Концентрация упрочняющих наноалмазных частиц в полимерном нанокомпозите равна 3 (% об.), а концентрация упрочняющих наноалмазных частиц в металломатричном композите равна 65 (% об.). При этом гранулы металломатричного нанокомпозита получены с применением метода механического легирования и наноалмазные упрочняющие частицы находятся в неагломерированном состоянии.
Пример 2.
Гибридный композиционный материал содержит полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита на основе эпоксидной смолы с упрочняющими луковичнообразными углеродными наночастицами и наполнитель из гранул металломатричного композита с медной матрицей и упрочняющими луковичнообразными углеродными наночастицами. Содержание гранул металоматричного композита (наполнителя) равно 60 (% об.). Размеры первичных луковичнообразных углеродных наночастиц равны 5-7 нм. Материал упрочняющих частиц в полимерной матрице и в металломатричном нанокомпозите один и тот же. Концентрация луковичнообразных углеродных наночастиц в полимерном нанокомпозите равна 65 (% об.), а концентрация упрочняющих луковичнообразных углеродных наночастиц в металломатричном нанокомпозите равна 30 (% об.). Материал электропроводный, качественная проверка показала, что композит пропускает электрический ток.
Пример 3.
Гибридный композиционный материал содержит полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита на основе эпоксидной смолы с упрочняющими наноалмазными частицами и наполнитель из гранул металломатричного композита с медной матрицей и упрочняющими наночастицами карбида титана. Содержание гранул металоматричного композита (наполнителя) равно 1 (% об.). Размер первичной наноалазной частицы равен 5 нм. Средний размер наночастиц карбида титана - 70 нм. Концентрация упрочняющих наноалмазных частиц в полимерном нанокомпозите равна 10 (% об.), а концентрация упрочняющих наночастиц карбида титана в металломатричном композите равна 25 (% об.). При этом гранулы металломатричного нанокомпозита получены с применением метода механического легирования и упрочняющие наночастицы находятся в неагломерированном состоянии.
Пример 4.
Гибридный композиционный материал содержит полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита на основе эпоксидной смолы с упрочняющими наночастицами графита и наполнитель из гранул металломатричного композита с матрицей из циркония и упрочняющими наночастицами карбида титана. Содержание гранул металоматричного композита (наполнителя) равно 10 (% об.). Средний размер наночастиц графита равен 80 нм, Частицы равномерно распределены в матрице. Средний размер наночастиц карбида титана - 70 нм. Концентрация упрочняющих наночастиц графита в полимерном нанокомпозите равна 40 (% об.), а концентрация упрочняющих наночастиц карбида титана в металломатричном композите равна 20 (% об.). При этом гранулы металломатричного нанокомпозита получены с применением метода механического легирования и упрочняющие наночастицы находятся в неагломерированном состоянии. В наполнителе размер гранул металломатричного композита находится в пределах 100-250 мкм (контроль размеров был осуществлен посредством просеивания через сита с размером 100 и 250 мкм). Отношение максимального размера гранулы к минимальному находилось в пределах 2-3.
Пример 5
Гибридный композиционный материал содержит полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита на основе полиэтилентерефталата с упрочняющими наночастицами карбида хрома и наполнитель из гранул металломатричного композита с никелевой матрицей и упрочняющими наночастицами карбида циркония со средним размером 50 нм. Содержание гранул металоматричного композита (наполнителя) равно 20 (% об.). Размер упрочняющих наночастиц равен 70 нм. Концентрация упрочняющих наночастиц в полимерном нанокомпозите равна 10 (% об.), а концентрация упрочняющих наночастиц в металломатричном композите равна 15 (% об.). При этом гранулы металломатричного нанокомпозита получены с применением метода механического легирования и наноалмазные упрочняющие частицы находятся в неагломерированном состоянии.
Пример 6
Гибридный композиционный материал содержит полимерную матрицу из полимерного нанокомпозита на основе полиэтилентерефталата с упрочняющими наночастицами карбида кремния, наполнитель из гранул металломатричного композита с титановой матрицей и упрочняющими наночастицами карбида циркония со средним размером 50 нм, а также материал содержит дополнительный наполнитель из частиц оксида кремния с размером 5-10 мкм. Содержание гранул металоматричного композита (наполнителя) равно 10 (% об.). Размер упрочняющих наночастиц в металломатричном нанокомпозите равен 50 нм. Концентрация упрочняющих наночастиц в полимерном нанокомпозите равна 10 (% об.), а концентрация упрочняющих наночастиц в металломатричном композите равна 20 (% об.). При этом гранулы металломатричного нанокомпозита получены с применением метода механического легирования и наноалмазные упрочняющие частицы находятся в неагломерированном состоянии. Содержание дополнительного наполнителя равно 10 (% об.).