Керамические нанокомпозиты представляют собой многокомпонентные материалы, в которых керамическая матрица включает наночастицы второго компонента, способные значительно модифицировать физико-химические свойства исходного материала. Основная цель введения нанофаз заключается в улучшении механических, термических, электрических и химических характеристик, а также в создании функциональных материалов с уникальными свойствами.
Ключевые параметры, определяющие поведение керамических нанокомпозитов, включают размер и морфологию наночастиц, степень их дисперсности, характер интерфейса между матрицей и включениями, а также взаимодействие наночастиц друг с другом и с окружающей средой. Нанофазы, размер которых обычно не превышает 100 нм, способны существенно изменять микроструктуру матрицы, снижая пористость и улучшая плотность упаковки кристаллических зерен.
1. С твердым наполнителем (particulate-reinforced composites): Матрица состоит из традиционной керамики (например, Al₂O₃, Si₃N₄, ZrO₂), а наночастицы выполняют роль армирующего компонента. Нанопорошки оксидов, карбидов и нитридов применяются для повышения прочности, трещиностойкости и износостойкости.
2. С волокнистым наполнителем (fiber-reinforced composites): В качестве нанофибрилл используются нанотрубки углерода, нитридные и оксидные волокна диаметром до нескольких десятков нанометров. Эти волокна усиливают механические свойства керамики за счёт эффекта остановки и отклонения трещин на границе раздела фаз.
3. Ламинированные и слоистые нанокомпозиты (layered composites): Создаются чередующимися слоями керамической матрицы и наноплёнок, обладающих специфическими функциями: термобарьерной, электроизоляционной или каталитической.
Сол-гель методы обеспечивают равномерное распределение наночастиц в керамической матрице, контролируя размер и форму частиц на этапе осаждения и полимеризации прекурсоров.
Механохимическое синтезирование использует высокоэнергетическое измельчение с последующим спеканием, что способствует формированию наноструктурированных зерен с высокой плотностью интерфейсов.
Аддитивные технологии и плазменные методы позволяют создавать слоистые и градиентные керамические нанокомпозиты с уникальной архитектурой, недоступной традиционными методами.
Введение наночастиц в матрицу методом осаждения из растворов или суспензий обеспечивает точный контроль концентрации и состава фаз, предотвращая агрегацию наночастиц.
Механические свойства: введение наночастиц приводит к значительному увеличению прочности на изгиб и ударной вязкости за счёт механизма остановки трещин на границах зерен и эффектов дисперсионного армирования. Особое значение имеет эффект Зенгера–Гринстейна, когда наночастицы препятствуют росту трещин в кристаллической матрице.
Термическая стойкость: керамические нанокомпозиты демонстрируют повышенную стабильность при высоких температурах благодаря снижению дефектов и пористости. Наночастицы способствуют торможению диффузии атомов и росту зерен при спекании.
Электрические и магнитные свойства: введение наночастиц проводящих оксидов или ферромагнитных нанофаз позволяет создавать функциональные керамические материалы с управляемой проводимостью, диэлектрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью.
Химическая стойкость и коррозионная устойчивость: нанофазы улучшают устойчивость матрицы к агрессивным средам, снижая адсорбцию и диффузию реагентов через пористую структуру.
Ключевым фактором эффективности керамических нанокомпозитов является интерфейс между матрицей и наночастицами. Химическая совместимость, адгезия и структурная сопряжённость определяют перенос нагрузки, стойкость к трещинообразованию и долговечность материала. Использование функционализированных наночастиц или покрытий позволяет оптимизировать межфазное взаимодействие и предотвратить агрегацию.
Аэрокосмическая и энергетическая отрасли: высокопрочные и термостойкие материалы для двигателей, теплообменников, термобарьерных покрытий.
Электроника и сенсорные технологии: нанокомпозиты с управляемой проводимостью и диэлектрической проницаемостью используются в конденсаторах, варисторах и газовых сенсорах.
Биомедицина: керамические нанокомпозиты на основе гидроксиапатита и биоактивных оксидов применяются в протезировании костей и зубов, обеспечивая высокую биосовместимость и механическую прочность.
Защитные покрытия и инструментальные материалы: материалы с высокой твёрдостью и износостойкостью используются для покрытия режущих инструментов и защиты поверхностей от коррозии и эрозии.
Дальнейшие исследования направлены на контроль морфологии нанофаз, разработку многофункциональных интерфейсов и синтез керамических нанокомпозитов с градиентной структурой. Совмещение наночастиц различных типов открывает возможности для создания материалов с одновременным улучшением механических, термических и функциональных свойств. Интеграция аддитивных технологий позволяет реализовать сложные архитектуры и микроструктуры, недоступные традиционным методам.