Нанокомпозитные материалы, представляют собой гетерогенные структуры, т.е. неоднородная система, из нескольких фаз разделенных между собой, содержащие хотя бы одну фазу с размером элемента менее 100 нм. В основе данных структур лежат объединения разных компонентов в одном материале, причем их свойства, так же объединяются и взаимно дополняют друг друга. В настоящее время получены десятки нанокомпозитов с высокими физико-механическими свойствами. Классификация нанокомпозитов по геометрическим размерам матрицы и частиц дргугих фаз впервые была предложена К. Нишихара [2]. В настоящее время большинство нанокомпозитов, являются микро-нанокомпозитами. Существующее множество подобных материалов не позволяет рассмотреть в рамках данной статьи все имеющиеся виды. Поэтому здесь будут рассмотрены несколько типов, таких как полимерные, так же наноструктурированные пленки и покрытия.

Нанополимерные композиты. Наибольшие успехи в получении нанокомпозитов были достигнуты при применении золь-гель технологии, т.е. с определенными химическими и физико-механическими свойствами. В качестве органического компонента используют соединения, такие как: полистирол, полиимид, полиамид, полибутадиен и полиметилметакрилат. В зависимости от условий реакции и содержания компонентов получают материалы с разной надмолекулярной организацией.
Нанокомпозиты на основе керамики и полимеров сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатывемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления. Благодаря этому улучшаются многие свойства материалов по сравнению с исходными.
Одной из важнейших областей применения наноматериалов, в частности Ti (титана), является использование их в медицинских целях — как имплантов и протезов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурированные пленки углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовметимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов имплантов. Кроме того, перспективными материалами в качестве имплантов, работающих под нагрузкой, являются многокомпонентные наноструктурные покрытия в системе Ti- (Ca,Zr) — (C,O,N), которые сочетают высокие механические и трибологические свойства с биосовметимостью и отсутствием токсичности [4].
Большое применение в промышленности нашли полупроводниковые полимерные материалы, а так же материалы созданные на основе пористой полимерной матрицы с вкрапленными наночастицами металлов. Одним из способов получения таких материалов, является высокоскоростное термическое разложение прекурсоров (одно из исходных веществ, с помощью которых получают готовый материал) в растворе расплава полимеров. В расплаве сохраняется порядок структуры исходного полимера, а имеющиеся в нем пустоты становятся доступными для локализации образующихся частиц.
Одним из способов получения нанокомпозитов, является восстановление ионов металлов внанопорах полимеров, как в нанореакторах, например, в ионообменных смолах. В них поры выполняют функции транспортных артерий для проникновения наноразмерных частиц или их прекурсоров в приповерхностный слой полимера. При этом поры могут иметь размеры от  1 нм до 6,5 мкм, а так же могут быть замкнутые или сквозные.

Наноструктурированные пленки и покрытия. Одним из важнейших направлений развития нанокомпозитов является получение и исследование многослойных пленок и покрытий, периодической структуры нано уровня. Получение таких веществ возможно за счет периодического нанесения индивидуальных тонких слоев нескольких материалов (обычно тугоплавких соединений, нитриды, оксиды, карбиды и пр.). При этом структуре наноматериала увеличивается доля межфазных поверхностей относительно общего объема границ раздела. Вследствие этого материал приобретает новые свойства, такие как препятствие, распространению дислокаций и трещин, увеличение твердости. Подобные материалы имеют двухмерную наноструктуру (нано-микро), т.е. толщины слоев находятся на нано уровне, а общая толщина может достигать сотен микрометров.
Большая часть работ в области многослойных тугоплавких наноструктурированных покрытий и пленок посвящена исследованию структуры, повышению твердости, а так же увеличению эффективности нанесения. Как уже говорилось выше, для создания твердых тугоплавких композитов необходимо обеспечить точное расположение слоев, их очередность и толщину, а так же ориентацию относительно подложки (параллельно, вертикально, под углом и пр.). Для обеспечения этого требования используются современные и точные методы, в частности вакуумно-дуговое распыление с фильтрацией частиц, а так же магнетронное распыление в среде химически активного газа (реактивного газа), например, азота, кислорода или метана.

Подробнее остановлюсь на магнетронном распылении в среде реактивного газа, т.к. сам занимаюсь исследованиями в данной области. На данном рисунке приведена простейшая схема планарного магнетрона на постоянных магнитах и фотография распыления материала мишени, с помощью круглого магнетрона на подложку в вакуумной камере.
Принцип действия магнетронной распылительной системы состоит в следующем. Вся система, которая состоит из подложки и магнетрона или их комбинаций в большем количестве, находится вакуумной камере. Вакуум необходим для создания низкотемпературной плазмы, которая подобна, тлеющему разряду в лампах дневного света. Магнетрон состоит из корпуса, в котором размещены либо электропроводящая обмотка (катушка), либо система из постоянных магнитов. Все это необходимо для создания магнитного поля над поверхностью мишени. Мишень представляет пластину или полый цилиндр из материала, который необходим для создания покрытия. Например, чтобы создать покрытие TiN/AlN, фотография которого озаглавила эту статью, необходимо два магнетрона с мишенями из чистого алюминия (Al) и чистого титана (Ti). Далее, для того чтобы распылить вещество с мишени необходимо подключить ток к магнетрону и подложке. Очень часто магнетрон выступает в роли катода (отрицательный потенциал), а подложка в виде анода (положительный потенциал). Далее, в вакуумную камеру, при низком давлении менее 1 Па, обычно 0,2 Па, подается плазмообразующий газ аргон (Ar). В результате действия магнитного и электрического полей с мишени, под воздействием ионов аргона начинают выбиваться ионы металла и под действие электрического поля они стремятся к подложке. На пути ионов к подложке встречаются ионы реактивного газа (для покрытия TiN/AlN — азот N2), который подается в камеру при неизменном давлении 0,2 Па. Взаимодействуя с ним ионы металла, образуют соединение (для покрытия TiN/AlN — нитрид титана и нитрид алюминия), в дальнейшем эти соединения осаждаются на подложке.
На видео, показан интерактивный ролик магнетронного распыления в среде реактивного газа, который иллюстрирует весь процесс от загрузки обрабатываемого изделия, до осаждения покрытия заданной толщины (на видео магнетроны несколько отличаются от рисунка выше, т. к. приведены не плоские, а цилиндрические мишени).

1. Главное фото — Научно-образовательный центр МГТУ им. Н. Э. Баумана

2. Азаренков Н.А. Наноматериалы, нанокомпозиты, нанотехнологии: Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Л.В. Маликов, П.В. Турбин — Х.: ХНУ имени В.Н. Каразина, 2009. — 209с.

3. Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технология получения / — Москва: Международный университет природы, общества и человека «Дубна» Филиал «Угреша». 2007. — 125с.

4. Штанский Д.В. Адгезионные, фрикционные и деформационные характеристики покрытий Ti- (Ca,Zr) — (C,N,O,P) для ортопедических и зубных импланто // Д.В. Штанский, М.И. Петржик, И.А, Башкова, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, А.Н. Шевейко, Е.А. Левашов. Физика твердого тела. – 2006. – Т. 48, вып.7. –С. 1231—1237.