НАНОСТРУКТУРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ГРАФЕНОПОДОБНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

  • Ivan A. Evdokimov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов,
  • Rinat R. Khairullin Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Sergey A. Perfilov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Andrey A. Pozdnyakov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Roman L. Lomakin Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Ilya V. Pakhomov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Boris A. Kulnitsky Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Denis V. Sukhorukov Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
Ключевые слова: алюминий, композит, наноструктура, графит, графен, углерод, прочность, DFT

Аннотация

В рамках настоящей работы проведены всесторонние исследования наноструктурных композиционных материалов, модифицированных графеноподбными структурами, образующимися в условиях совместного механолегирования исходного матричного алюминиевого сплава АД0 и чешуйчатого графита. Для получения порошковых смесей с малым содержанием графита, в качестве размольного агента применялась стеариновая кислота, применение которой позволило снизить средний размер кристаллитов на 15-20% и уменьшить размеры агрегатов на 20-30% по сравнению с образцами без размольного агента. Механолегированные порошковые смеси подвергали прямой горячей экструзии при температуре 280-300 °С, со степенью деформации 6,2. В результате исследований было установлено, что в процессе механолегирования графит измельчается до графеноподобных структур, состоящих из 5-12 графеновых слоев со средним размером менее 20 нм. Методами ПЭМ и СЭМ установлено, что в результате механолегирования и экструзии не происходит образование карбида алюминия Al4C3. Тем не менее, квантово-химическое моделирование системы алюминийграфен показало, что образование химической связи между графеном и алюминием возможно и энергетически выгодно. На основании проведенных расчетов было установлено, что значение сдвигового модуля для системы графен/Al(100) варьируется от 20 до 50 МПа (для конфигурации «кресло» AC и «зигзаг» ZZ, соответственно), а в случае графен/Al(111) от 20 до 70 МПа. Экспериментальные данные согласуются с результатами моделирования. В результате модифицирования алюминиевой матрицы графеноподобными частицами наблюдается повышение условного предела текучести до 525 МПа и твердости до 167 HV соответственно.

Литература

Markushev M.V., Bampton C.C., Murashkin M.Yu., Hardwick D.A. Structure and properties of ultra-fine

grained aluminium alloys produced by severe plastic deformation. Mater. Sci. Eng. 1997. V. A234/236. P. 927–931.

DOI: 10.1016/S0921-5093(97)00333-X.

Murashkin M.Yu., Kil’mametov A.R., Valiev R.Z. Structure and mechanical properties of an aluminum alloy 1570

subjected to severe plastic deformation by high-pressure torsion. Phys. Metals. Metall. 2008. V. 106(1). P. 90–96. DOI: 10.1134/S0031918X08070120.

Popov M., Medvedev V., Blank V., Denisov V., Kirichenko A., Tat’yanin E., Zaitsev V. Fulleride of aluminum

nanoclusters. J. Appl. Phys. 2010. V. 108(9). P. 094317. DOI:10.1063/1.3505757.

Hua H., Onyebuekea L., Abatanb A. Characterizing and modeling mechanical properties of nanocomposites. Review and evaluation. J. Min. Mater. Charact. Eng. 2010. V. 9. N 4. P. 275-319. DOI: 10.4236/jmmce.2010.94022.

Ibrahim I.A., Mohamed F.A., Lavernia E.J. Particulate reinforced metal matrix composites – a review. J. Mater. Sci. 1991. V. 26. P. 1137-1156. DOI: 10.1007/BF00544448.

Estrin Y., Hirsch J., Skrotzki B., Gottstein G. Ultrafine grained Al alloys by severe plastic deformation: processes

and properties. Aluminium Alloys. 2008. V. 1. P. 71–82.

Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science. 2008. V. 321. P. 385–388. DOI: 10.1126/science.1157996.

Papageorgiou D.G., Kinloch I.A., Young R.J. Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites. Progr. Mater. Sci. 2017. V. 90. P. 75-127. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.07.004.

Shahil K.M.F., Balandin A.A. Thermal properties of graphene and multilayer graphene: Applications in thermal interface materials. Solid State Commun. 2012. V. 152. N 15. P. 1331-1340. DOI: 10.1016/j.ssc.2012.04.034.

Weifeng Z., Fang M.F., Wu F., Wu H., Wang L., Chen G. Preparation of graphene by exfoliation of graphite using wet ball milling. J. Mater. Chem. 2010. V. 20. P. 5817-5819. DOI: 10.1039/C0JM01354D.

Alinejad B., Mahmoodi K. Synthesis of graphene nanoflakes by grinding natural graphite together with NaCl in a planetary ball mill. Func. Mater. Lett. 2017. V. 10. P. 1750047. DOI: 10.1142/S1793604717500473.

Tran V., Doan H., Nhiem N., Do C. Preparation of Graphene Nanoplatelets by Thermal Shock Combined with

Ball Milling Methods for Fabricating Flame-Retardant Polymers. J. Chem. 2019. V. 2019. P. 1-6. DOI: 10.1155/

/5284160.

Avvakumov E.G. Mechanical methods of chemical processes activation. Novosibirsk: Nauka. 1986. 305 p.

Popov M., Medvedev V., Blank V., Denisov V., Kirichenko A., Tat'yanin E., Aksenenkov V., Perfilov S., Lomakin

R., D'yakov E., Zaitsev V. Fulleride of aluminum nanoclusters. J. Appl. Phys. 2010. V. 108. N 9. P. 094317-094317-6.

DOI: 10.1063/1.3505757.

Evdokimov I.A., Pivovarov G.I., Blank V.D., Aksenenkov V.V., Kirichenko A.N., Vaganov V.E. Metal-carbon composite material based on aluminum. Chem. Chem. Technol. 2. 11. V. 7. P. 58-62.

Evdokimov I.A., Perfilov S.A., Pozdnyakov A.A., Blank V.D., Bagramov R.Kh., Perezhogin, I.A., Kulnitsky B.A.,

Kirichenko A.N., Aksenenkov V.V. Nanostructured Composite Materials Based on Al–Mg Alloy Modified with Fullerene C60. Inorg. Mater.: Appl. Res. 2018. V. 9(3). P. 472-477. DOI: 10.1134/S2075113318030139.

Murashkin M.Yu., Kil’mametov A.R., Valiev R.Z. Structure and mechanical properties of an aluminum alloy 1570 subjected to severe plastic deformation by high-pressure torsion. Phys. Metals. Metall. 2008. V. 106(1). P. 90–96.6. DOI: 10.1134/S0031918X08070120.

Vanin M., Mortensen J.J., Kelkkanen A.K., GarciaLastra J.M., Thygesen K.S., Jacobsen K.W. Graphene on

metals: A van der Waals density functional study. Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 081408. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.

McCarthy B. A Microscopic and Spectroscopic Study of Interactions between Carbon Nanotubes and a Conjugated Polymer. J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. N 9. P. 2210–2216. DOI: 10.1021/jp013745f.

Barbary El., Telling A., Ewels R. Heggie C., Briddon M. Structure and energetics of the vacancy in graphite. Phys. Rev. B. 2003. V. 68. N 14. P. 144107/1-144107/7. DOI: 10.1103/PhysRevB.68.144107.

Gillan M.J. Calculation of the vacancy formation energy in aluminium. J. Phys. Condens. Matter. 1989. V. 1. N 4.

P. 689.

Опубликован
2020-11-22
Как цитировать
Evdokimov, I. A., Khairullin, R. R., Perfilov, S. A., Pozdnyakov, A. A., Lomakin, R. L., Pakhomov, I. V., Kulnitsky, B. A., & Sukhorukov, D. V. (2020). НАНОСТРУКТУРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ГРАФЕНОПОДОБНЫМИ ЧАСТИЦАМИ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 63(12), 37-43. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20206312.3y
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)