Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

1Israeli Association of inventors, 3a Shimkin street, Haifa, 34750, Israel

2Voronezh State Technical University,

Russian Federation, 394006, Voronezh, 20-letiya Oktyabrya str., 84

*Corresponding author: Shuvaev D.I., E-mail: Lepiord@yandex.ru

The phenomenal composition and physical properties of nanomaterials expand the possibilities of new applications, from protecting viability to antimicrobial properties and self-cleaning surfaces to secondary quality improvement in various fields. This article describes the most important properties of components used in production-nanoparticles, the application of nanotechnology in the field of building materials, some achievements in the field of nanotechnology and the possibilities of using this very developing innovation in the field of civil engineering and design, as well as the latest development of the Crimean Federal University for the production of durable building composites that absorb carbon dioxide. The focus was on the ongoing development and possible areas of construction where nanotechnology and nanomaterials can find their application.

Keywords: nanoscale, nanotechnological processes, nanotubes, nanoplates, nano-powders

Введение. Нанотехнологии можно охарактеризовать как:

1) Способность изготавливать материалы, устройства и каркасы посред-

ством управления объектами в наномасштабе.

2) Это процесс использования свойств и явлений, происходящих в нано-

масштабе. Нанотехнология – это общий термин, охватывающий широкий спектр достижений, касающихся структур и процедур в нанометровом масштабе.

Нанометр составляет одну миллиардную метра (10-9 м) и отмечает размер,

на котором квантовые физические воздействия постепенно становятся жизнен-

но важной задачей. Ввиду своей способности изменять в целом целые области инноваций, нанотехнология рассматривается как ключевая инновация, которая не только рано или поздно повлияет на развитие механики, но также будет иметь решающие финансовые, биологические и социальные последствия. До сих пор нет общего признания воспринимаемого значения нанотехнологий. Как

55

с практической, так и с теоретической точки зрения, в настоящем отчете ис-

пользуется прилагаемое определение, которое гласит следующее:

1) Нанотехнология управляет структурами, размер которых меньше

100 нм в любом из измерений.

2)Нанотехнологические процессы – взаимодействия и процессы, которые происходят в переходной зоне между атомным и мезоскопическим уровнями.

3)Нанотехнология изображает сознательное создание или потенциаль-

ный контроль над отдельными наноструктурами [1].

В этой статье исследуется потенциальное использование углеродных нанотрубок, SiO2, TiO2, Fe2O3, CuO, ZrO2, ZnO2, Al2O3, CaCO3, Cr2O3 и наноча-

стиц Ag в гражданском строительстве. Большинство исследований показали,

что добавление наноматериалов в соответствующем количестве улучшает свой-

ства прочности и долговечности, но сокращает время схватывания, а также удобоукладываемость цементных композитов.

Важные свойства материала, такие как твердость, износостойкость и т. д.,

могут быть искусственно улучшены путем присутствия структур в нанометри-

ческом масштабе. Многочисленные применения нанокристаллических матери-

алов были получены при внедрении наночастиц в глиняной, металлической или полимерной матрице. Например, присутствие наноразмерных частиц в метал-

лах улучшает механические свойства, что может существенно способствовать облегчению конструкции. Полимеры, измененные наночастицами, обладают свойствами, которые лежат между характеристиками природных полимеров и неорганической керамики. Возможные применения таких улучшенных матери-

алов лежат в особенно востребованных зонах легкого проявления или высоко-

температурных применений, а также в массовых применениях, таких как пла-

стиковые корпуса или облицовка.

Важным примером является гибкое поведение наноструктурированной керамики, которую раньше называли просто хрупкими материалами. На прак-

тике это приводит к широкому спектру разработок, наряду с активными инно-

вациями, которые могут привести к значительному улучшению свойств и до-

56

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

полнительным возможным разработкам в материалах с добавлением наноча-

стиц. Возможная область разработки – это высококачественные бетоны с более высокими характеристиками сжатия и повышенным износом, сопровождаемы-

ми эрозионной стойкостью. Существует множество возможных приложений для усовершенствования нанотехнологий в области строительства. Например,

наночастицы диоксида кремния могут быть использованы в производимой кремниевой кислоте (нанокремнезем) в качестве добавки для напыляемого и высокоэффективного бетона, что увеличивает жесткость связи и качество сцеп-

ления при сдвиге между бетоном и арматурной сталью [1, 2].

Многослойное покрытие из проводящих полимеров нанометровой тол-

щины может обеспечить улучшенную защиту от эрозии при использовании уг-

леродистой или нержавеющей стали в качестве конструкционного материала.

Другие применения могут быть найдены в области тепловой защиты конструк-

ций путем использования окон для прозрачной тепловой защиты путем нанесе-

ния невидимого серебряного покрытия толщиной в несколько нанометров. В

наружных конструкциях, таких как дизайн фасадов, усиление самоочищения,

защита от граффити или высокая устойчивость к царапинам и износу пластмасс за счет соответствующих покрытий. В интерьере использование наночастиц диоксида титана в качестве добавленных веществ в покрытиях для защиты от окрашивания при искусственном и естественном освещении.

Существенными структурами нанотехнологии являются:

1) Точечные структуры размером менее 100 нм в каждом из трех измере-

ний (например, нанокристаллы, кластеры или молекулы).

2) Линейные структуры, наноразмерных размеров в двух измерениях

(например, нанопроволоки, нанотрубки и наноканавки).

3)Слоистые структуры наноразмером всего в одном измерении.

4)«Обратные» наноструктуры (то есть поры) и сложные структуры,

например, супрамолекулярные единицы или дендримеры.

Без процедур и инструментов, оборудованных для сборки и разрушения основных структур, указанных вышесказанное, нанотехнология была бы непо-

нятна [1].

57

Свойства компонентов строительных материалов

Наночастицы диоксида титана (TiO2). Наночастицы диоксида титана до-

бавляют в бетон, чтобы улучшить его свойства. Этот белый пигмент использу-

ется как отличное светоотражающее покрытие. или же добавляется в краски,

цемент и окна из-за своих стерилизующих свойств.

Наночастицы оксида цинка (ZnO). Оксид цинка добавляют в различные материалы и продукты, включая пластмассы, керамику, стекло, цемент, резину,

краски, клей, герметики, пигменты, антипирены. Используемый для производ-

ства бетона, ZnO улучшает время обработки и устойчивость бетона к воде.

Наночастицы серебра (Ag). Наносеребро подавляет размножение и рост бактерий и грибков, вызывающих инфекцию, запах, зуд и язвочки. Основная технология наносеребра – это способность производить как можно меньшего размера и для очень равномерного распределения этих частиц.

Наночастицы оксида алюминия (Al2O3). Дополнение нано-Al2O3 высокой чистоты улучшает характеристики бетонов, в более высокой прочности на раз-

рыв и изгиб. Цемент мог быть выгодно заменён в бетонной смеси нано-

частицами Al2O3 до максимальнго предела 2,0 % при среднем размере частиц

15 нм, оптимальный уровень содержания нано-частиц Al2O3 достигается при замене 1,0 %.

Наночастицы оксида циркония (ZrO2). Нано цирконий показывает хоро-

шо эстетика (полупрозрачность), превосходное физическое сопротивление

(твердость, гибкость, долговечность), химическая стойкость (практически инертный) и очень хороший изолятор.

Наночастицы оксида вольфрама (вольфрама) (WO3). В последние годы в производстве используется триоксид вольфрама. электрохромных окон, или умных окон. Эти окна электрически переключаемое стекло, изменяющее свето-

пропускающие свойства при подключении електричества. Это позволяет поль-

зователю тонировать окна, изменяя количество тепла или прохождение света

[3-6].

58

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

Классификация и свойства наноматериалов

Наноматериалы можно разделить в основном на две категории:

1) Природные (на углеродной основе, на металлической на основе). Ма-

териалы, имеющие биологические системы например вирусы, вещества в нашем костном матриксе и т. д.

2) Искусственно созданные (дендримеры, композиты). Это те, которые созданы разными экспериментами. Их можно подразделить на 4 класса:

•На основе углерода: Углерод является основным компонентом этих наноматериалов.

•На металлической основе: Эти наноматериалы содержат квантовые точ-

ки, нанозолото, наносеребро и оксиды металлов, такие как диоксид титана.

•Дендримеры: Они построены из разветвленных блоков. На поверхности дендримеров присутствует ряд цепочек. Эти цепи можно заставить выполнять различные химические свойства.

•Композиты: Две или более двух наночастиц объединяются вместе для получения композитного наноматериала.

Ниже приведены три основных свойства наноматериалов.

Магнитные свойства. Наночастицы обладают магнитными свойствами,

которые полезны при визуализации, биообработке, а также при охлаждении.

Оптические свойства. Изменение цвета и функциональных свойств отно-

сится к категории оптических свойств. Многие металлы и полупроводники об-

ладают оптическими свойствами.

Электронные свойства. Из-за уменьшения длины системы в электроне происходят изменения, что приводит к изменению электронных свойств, таких как нехватка центров рассеяния [1-4].

Использование нанотехнологий в строительных материалах

Цемент. Цемент представляет собой проницаемый материал, характери-

зующийся воздушными пустотами, размер которых увеличивается до пор

59