МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ ГРАФЕН/МЕТАЛЛ СО СЛАБОЙ И СИЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ: МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА
Автор: Лилия Ришатовна Сафина
Соавторы: Крылова К.А., Мурзаев Р.Т., Баимова Ю.А
Организация: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
На сегодняшний день особый интерес ученых вызывают композиты графен/металл, где графен добавляется в качестве армирующей фазы в металлическую матрицу, что позволяет существенно улучшить прочность, твердость, износостойкость и другие свойства металлов [1]. Недавно была предложена новая морфология композита графен/металл, матрицей которого является скомканный графен, заполненный наночастицами металла [2]. Отметим, что на механические свойства таких композитов может влиять сила взаимодействия атомов металла с графеном. Например, некоторые металлы, такие как Al, Cu, Ag, и Pt, слабо взаимодействуют с графеном, а другие, такие как Ni, Co и Pd, сильно [1]. Целью данной работы является оценка механических свойств композитов графен/металл со слабой (графен/Al) и сильной (графен/Ni) связью между графеном и металлом методом молекулярной динамики.
На рис. 1а показаны начальные структуры композитов графен/Ni и графен/Al, полученных с помощью деформационно-термической обработки. Для того, чтобы оценить механические свойства композитов графен/металл проводится испытание материалов на одноосное растяжение. На рис. 1б показаны кривые напряжение-деформация для композитов графен/Ni и графен/Al после одноосного растяжения. Из сравнения кривых видно, что наибольшей прочностью обладает композит графен/Ni. Это можно объяснить формированием прочной графеновой сетки с равномерно распределенными атомами Ni (см. рис. 1а), которые образуют сильную связь c графеном. Если металл слабо взаимодействует с графеном, как в случае с Al, то в процессе получения композита наночастицы металла начинают коагулировать (см. рис. 1а), поскольку взаимодействие атомов Al друг с другом сильнее, чем с графеном. Участки коагулированных наночастиц Al препятствуют образованию прочной непрерывной графеновой сетки. В результате, такая структура обладает более низкими механическими свойствами.
Рис. 1. Начальные структуры композитов графен/Ni и графен/Al, полученных с помощью деформационно-термической обработки. (б) Кривые напряжение-деформация для композитов графен/Ni и графен/Al после одноосного растяжения.
Результаты моделирования показывают, что механические свойства композитов графен/металл зависят от выбранного металла. Никель, сильно взаимодействуя с графеном, равномерно распределяется в порах графеновой сетке, благодаря чему образуется прочный композитный материал. Алюминий слабо взаимодействует с графеном, поэтому в структуре образуются участки коагулированных металлических наночастиц, которые препятствуют формированию прочной графеновой сетки, что снижает прочностные свойства композита.
1. Baimova J.A., Shcherbinin S.A. Metal/graphene composites: a review on the simulation of fabrication and study of mechanical properties. // Materials. 2023. Vol. 16. № 1. P. 202.
2. Safina L.R., Baimova J.A., Krylova K.A. Molecular dynamics study of the mechanical properties and deformation behavior of graphene/metal composites. // Materials Today Physics. 2022. Vol. 28. P. 100851.
