Nanomateriały ceramiczne

W1 - 22 II 2010

Podstawowe grupy materiałów:

• metale

• ceramika kompozyty

• polimery

Nanotechnologia - łączy wybrane obszary:

• fizyki ciała stałego

• chemii

• materiałoznawstwa

• biologii molekularnej

Przykłady nanomateriałów:

• sadza

• krzemionka („biała sadza”) - od 15-20 nm do kilku (kilkunastu, kilkudziesięciu) nm

Badania nanostruktur

• budowanie struktur z pojedynczych atomów

• wykorzystywanie dużych odkształceń plastycznych

• rozdrabnianie mikrostruktur do skali nanometrycznej

Nanomateriały ceramiczne - np. nanoproszki i powłoki ceramiczne

• tlenkowe nanomateriały krystaliczne

• nietlenkowe magnetyczne nanomateriały ceramiczne

• bionanomateriały ceramiczne

• nanomateriały piezoceramiczne

• nanokompozyty ceramiczne

Nanomateriał - polikrystaliczna substancja złożona z ziaren o wymiarach do 100 nm

1 nm = 10^-9 m

1 Ǻ = 10^-8 cm

1 nm = 10 Ǻ

Bardziej właściwe wydaje się zdefiniowanie nanomateriału nie przez wymiary tylko przez zmianę właściwości. Decydującym kryterium rozdziału są właściwości termodynamiczne, które są różne w skali nano i mikro.

Zaobserwowano, że w skali nano pojawiają się specyficzne zjawiska nie obserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych. Wymiar, przy którym występuje zmiana bądź pojawiają się nowe właściwości, jest graniczną wielkością definiującą nanomateriały. Granica wielkości ziaren jest różna dla materiałów o różnych cechach użytkowych i na ogół po jej przekroczeniu pojawiają się nowe właściwości.

W wielu przypadkach definicja wymiarowa pokrywa się z definicją zmian właściwości nanomateriału i wynosi faktycznie poniżej 100 nm.

Sens wytwarzania nanomateriałów pojawia się wtedy, gdy wykazują one lepsze lub nowe właściwości w porównaniu do konwencjonalnych mikrokrystalicznych lub monokryształów o tym samym składzie chemicznym.

Duże znaczenie nanomateriałów wynika stąd, że technologie stosowane do ich wytwarzania pozwalają otrzymać tworzywa o składzie i właściwościach niemożliwych do uzyskania za pomocą dotychczas znanych metod.

Nanomateriały:

• zerowymiarowe (punktowe, nanoheterogeniczne) - zbudowane z osnowy, w której rozmieszczone są cząstki o wymiarach rzędu nanometrów

• jedno- lub dwuwymiarowe - np. warstwy o grubości rzędu nanometrów typu jednofazowego lub wielofazowego

• trójwymiarowe (lub nanokrystaliczne) - złożone z krystalicznych ziaren odpowiednich faz o wymiarach rzędu nanometrów

Nanomateriały mają postać np. proszku, cienkich warstw lub izolowanych cząstek o wymiarach nanometrycznych. Wytwarza się je w laboratoriach naukowych od poł. lat '80 XX w. z wykorzystaniem metod mechanicznych, fizycznych lub chemicznych. Spośród tych metod można wymienić metodę mechanicznej syntezy (mechanical alloying = MA).

Inne metody:

• procesy krystalizacji z metastabilnych lub niestabilnych faz skondensowanych - metodami takimi, jak:

• krystalizacja z cieczy przechłodzonej przez szybkie chłodzenie

• krystalizacja materiałów amorficznych lub wydzielanie z przesyconych roztworów stałych

• proces szybkiego chłodzenia (melt spinning)

• procesy krzepnięcia zaawansowanego (advanced solidification processing)

• natryskiwanie (napylanie) plazmowe (spray forming)

Największe zastosowanie mają:

• procesy zol-żel

• procesy osadzania atomów lub cząstek z fazy gazowej metodami:

• chemical vapour deposition (CVD)

• phisical vapour deposition (PVD)

1

---