СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ И НАНОМАТЕРИАЛЫ: СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

MODERN STRUCTURAL AND NANOMATERIALS: SYNTHESIS, PROPERTIES AND PROSPECTS FOR APPLICATION IN NEXT-GENERATION TECHNOLOGIES

Ivanov Mikhail Nikolaevich

Student, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Russia, Krasnoyarsk

Ponosov Vasilyi Mikhailovich

Associate Professor of the Department of Organization and Management of High-Tech Productions, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В статье проведен анализ современных тенденций в области разработки и применения перспективных конструкционных и наноматериалов. Рассмотрены основные классы материалов, определяющие прогресс в высокотехнологичных отраслях: металлические композиты, дисперсно-упрочненные наноструктурированные сплавы, керамические и полимерные нанокомпозиты, а также углеродные наноматериалы (графен, углеродные нанотрубки).

Выявлены основные технологические вызовы, связанные с масштабированием производства, стабильностью свойств и экономической целесообразностью. Определены наиболее перспективные направления применения рассмотренных материалов в аэрокосмической промышленности, энергетике, медицине и транспортном машиностроении.

ABSTRACT

The article analyzes modern trends in the development and application of advanced structural and nanomaterials. The main classes of materials driving progress in high-tech industries are considered: metal matrix composites, dispersion-strengthened nanostructured alloys, ceramic and polymer nanocomposites, as well as carbon nanomaterials (graphene, carbon nanotubes).

The main technological challenges related to production scaling, property stability, and economic feasibility are identified. The most promising areas of application for the considered materials in the aerospace industry, energy, medicine, and transport engineering are determined.

Ключевые слова: наноматериалы, композиционные материалы, наноструктура, графен, углеродные нанотрубки, металлические матричные композиты, механические свойства, интенсивная пластическая деформация, аддитивные технологии.

Keywords: nanomaterials, composite materials, nanostructure, graphene, carbon nanotubes, metal matrix composites, mechanical properties, severe plastic deformation, additive technologies.

Современные требования к технике – это повышенная энергоэффективность, работа в экстремальных условиях, при стандартных подходах не могут быть удовлетворены с использованием традиционных материалов.

Это стимулировало возникновение и бурное развитие двух взаимосвязанных направлений: создания новых конструкционных материалов с предельно высокими удельными характеристиками и нанотехнологий, позволяющих целенаправленно формировать структуру материала на атомарно-молекулярном уровне [1].

Методы интенсивной пластической деформации (ИПД), такие как равноканальное угловое прессование (РКУП) и кручение под высоким давлением, позволяют получать массивные беспористые заготовки с ультрамелким зерном [2], что является ключевым подходом в создании объемной наноструктуры (размер зерна менее 100 нм) в металлах и сплавах.

Такие материалы (например, наноструктурированный титан или алюминиевые сплавы) демонстрируют значительное увеличение предела прочности и усталостной долговечности при сохранении удовлетворительной пластичности.

Металлические матричные композиты (ММК), армированные наночастицами (карбиды, нитриды, оксиды) или нановолокнами (углеродные нанотрубки - УНТ), сочетают пластичность матрицы и высокую жесткость армирующей фазы. Основная задача – обеспечение равномерного распределения наноармирующих элементов в объеме матрицы для предотвращения хрупкого разрушения.

Введение наноразмерных частиц (например, наноалмазов, нанокарбида кремния) в матрицу традиционной керамики позволяет существенно подавить рост зерна при спекании, устранить макро-дефекты и повысить ее вязкость разрушения, преодолевая главный недостаток керамики – это хрупкость [3].

Полимерные нанокомпозиты, содержащие всего 1-5% масс. нанонаполнителей (УНТ, графен, наноглина), демонстрируют резкий рост модуля упругости, прочности, термостабильности и барьерных свойств. Это делает их идеальными для создания легких конструкций, гибкой электроники и высокопрочной тары. Графен, представляющий собой одноатомный слой углерода, обладает уникальной комбинацией свойств: рекордной теоретической прочностью, высокой электро- и теплопроводностью, гибкостью. Его использование в качестве армирующего элемента в композитах считается одним из самых перспективных направлений. Углеродные нанотрубки, благодаря своему высокому отношению длины к диаметру, применяются не только в композитах, но и в элементах наноэлектроники, аккумуляторах и сенсорах.

Таким образом, современные конструкционные и наноматериалы, синтезируемые методами наноинженерии, перестали быть объектом фундаментальных исследований и стали реальным инструментом для прорывных технологий. Их развитие движется в направлении создания «интеллектуальных» материалов с адаптивными свойствами, многофункциональных гибридных систем и экологически безопасных жизненных циклов. Дальнейший прогресс будет зависеть от сотрудничества материаловедов, химиков, физиков и инженеров, а также от инвестиций в опытно-промышленное оборудование для масштабирования перспективных лабораторных разработок.

Список литературы:

1. Никогосян С.В., Шевченко В.Я. Нанокерамика: получение и свойства // Успехи химии. – 2006. – Т. 75, № 4. – С. 355–384.
2. Клячко Н.С., Ломовский О.И. Механическое легирование и реакционный помол в технологии наноматериалов // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2018. – № 2. – С. 45–57.
3. Тихонов А.С. Технологии наноматериалов. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2013. – 420 с.