Нанокомпозиты представляют собой материалы, состоящие из матрицы и распределённого в ней нанофазного наполнителя, где размер частиц второго компонента не превышает 100 нм. Синтез таких систем требует контроля на наноуровне, поскольку свойства материалов напрямую зависят от морфологии, распределения и взаимодействия компонентов. Методы получения нанокомпозитов подразделяются на физические, химические и комбинированные подходы.
1. Механическое смешение и измельчение Процесс включает интенсивное измельчение компонентов до нанометрового размера с последующим их смешением. Применяются высокоэнергетические мельницы (шаровые, планетарные), которые обеспечивают деформацию и диспергирование частиц. Недостатком метода является ограниченный контроль над размером частиц и возможное возникновение дефектов кристаллической решётки.
2. Испарение и конденсация Метод используется для получения металлических и полимерных нанокомпозитов. Металл или оксид испаряется в вакууме или в инертной атмосфере, а затем конденсируется на подложке, иногда с введением полимерной матрицы. Основное преимущество – возможность получения равномерного распределения наночастиц и контроля размера.
3. Сверхкритические методы Использование сверхкритических жидкостей (обычно CO₂) позволяет растворять и транспортировать прекурсоры наночастиц. Конденсация в сверхкритических условиях обеспечивает высокую дисперсность и стабильность частиц, минимизируя агломерацию.
1. Сол-гель синтез Метод основан на гидролизе и конденсации металлических алкоксидов или солей в жидкой фазе с последующим формированием трёхмерной сетки. Сол-гель позволяет формировать наночастицы оксидов (TiO₂, SiO₂, ZrO₂) с контролируемым размером и морфологией. Основные этапы: подготовка геля, старение, сушение и термообработка.
2. Осаждение из раствора (co-precipitation) Водные или органические растворы содержащих ионы металлов смешиваются при контролируемом pH и температуре, вызывая осаждение наночастиц. Метод подходит для получения гидроксидных и оксидных нанокомпозитов. Контроль размера достигается регулированием концентрации, скорости добавления реагентов и температуры.
3. Химическое восстановление Применяется для синтеза металлических наночастиц в полимерной или неорганической матрице. Растворимый прекурсор металла (например, соли Ag⁺, Au³⁺, Pt²⁺) восстанавливается с помощью химических восстановителей (NaBH₄, гидразин) до наночастиц. Важным аспектом является предотвращение агломерации через стабилизаторы или функционализированные полимеры.
4. Интеркаляция и функционализация слоистых материалов Включает внедрение наночастиц в межслоевые пространства глин, графитов или двуслойных оксидов. Часто сопровождается химическим модифицированием слоистого носителя для улучшения взаимодействия с матрицей. Метод особенно эффективен для создания органо-неорганических нанокомпозитов с повышенной механической прочностью и барьерными свойствами.
1. Синтез в плазме и лазерная абляция Лазерное облучение материала в жидкой среде или газовой фазе приводит к образованию наночастиц с высокой чистотой и узким распределением по размеру. Плазменные методы обеспечивают быстрое формирование наночастиц с контролем морфологии и кристаллической структуры.
2. Солвотермический и гидротермальный синтез Применение высоких давлений и температур в замкнутой системе позволяет контролировать рост кристаллов на наноуровне. Эти методы эффективны для синтеза оксидных, сульфидных и фосфатных нанокомпозитов. Основные параметры: температура, давление, тип растворителя, концентрация реагентов.
3. Электрохимические методы Электролиз металлических или полимерных систем позволяет формировать наночастицы на катоде или аноде. Электрохимические методы обеспечивают точный контроль над размером и степенью дисперсии частиц. Часто используются для получения металлических нанопокрытий и функционализированных нанокомпозитов.
Эффективность методов определяется не только технологической сложностью, но и способностью обеспечивать однородное распределение нанофазы, минимизировать дефекты и стабилизировать структуру на протяжении всего жизненного цикла материала.