Новости

10 ноября, 2022 13:11

Скомканный графен и частицы металла помогли создать новый сверхпрочный материал

Российские ученые разработали технологию производства высокопрочных композитных материалов на основе скомканного графена и наночастиц металла — меди и никеля. Полученные композиты демонстрируют прочность во много раз выше, чем у известных на данный момент аналогов. Благодаря этому подобные материалы можно использовать для создания покрытий деталей самолетов и космических аппаратов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials Today Physics.
Компьютерное моделирование композитных материалов на основе графена и металлов. Источник: Юлия Баимова
 
Современную промышленность сложно представить без композитных материалов, в состав которых входит несколько различающихся по физическим и химическим свойствам компонентов. Так, например, инженеры часто используют сочетание графена с металлами, поскольку это позволяет получить прочные, пластичные и долговечные конструкции. Металлы при этом выступают в качестве матрицы, то есть основного компонента, а плоские листы графена толщиной всего в один атом — в качестве армирующего элемента благодаря их высокой прочности и малому весу. Однако до сих пор производство графеновых листов макроразмера (до десятых долей миллиметра) дорогое и малоэффективное. Поэтому чаще в композитах используют скомканные листы графена, которые можно получать простым экономичным способом, но которые не теряют прочности графена и в той же мере усиливают металлическую матрицу композита.
 
Несмотря на то, что уже существует несколько технологий производства композитных материалов на основе графена и металлов, ни для одной из них не описаны оптимальные физико-химические условия, позволяющие получить максимально прочный композит. Сотрудники Института проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа) предложили новую технологию производства композитных материалов на основе графена в сочетании с атомами никеля или меди. Эти металлы авторы выбрали потому, что они хорошо взаимодействуют с графеном и часто используются в микроэлектронике, а также при конструировании авиатехники.


Этапы создания композитов на основе графена и металлов (никеля и меди) и кривые плотности полученных материалов. Источник: Safina et al. / Materials Today Physics, 2022

 
Исследователи сначала рассчитали оптимальный размер частиц никеля и меди, который обеспечил бы наиболее крепкое связывание с графеновыми листами. Затем, опираясь на химические свойства металлов, определили температуру, необходимую для их взаимодействия с армирующим компонентом.
 
Численные эксперименты показали, что в процессе формирования композита путем сжатия требуется нагрев компонентов до температуры, превышающей 700℃. Именно в этом случае металлы равномерно распределяются между листами графена, что приводит к образованию однородного композита.
 
Далее ученые проверили механические свойства полученных материалов, растягивая образцы. Оказалось, что оба варианта композитов — включающие как атомы никеля, так и меди — выдерживали деформации, по величине превышающие известные на данный момент пределы прочности. В то же время материал, в состав которого входила медь, был на 35% более прочным, чем никелевый композит. Медь — более легкоплавкий металл, и поэтому при одинаковой температурной обработке она равномернее распределяется по материалу, чем никель, а композит получается намного прочнее.
 
«Наше исследование поможет создавать прочные композиты на основе графеновых листов и металлов, которые благодаря прочности и легкости перспективны в аэрокосмической промышленности. В будущем мы планируем изучить материалы на основе скомканного графена с другими металлическими наночастицами, в частности титаном и алюминием», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Баимова, доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующая лабораторией «Физика и механика углеродных наноматериалов» ИПСМ РАН.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ.
24 ноября, 2022
Новая модель позволит предсказать вымирания видов при глобальном потеплении
Российские ученые предложили математическую теорию, описывающую сложные взаимодействия между климато...
18 ноября, 2022
Слой из полимера защитит аккумуляторы от самовозгорания
Российские ученые разработали новый тип защитного слоя для литий-ионных батарей, который снижает т...