Молекулярно-динамическое моделирование деформационного поведения композитов графен-металл
Автор: Лилия Ришатовна Сафина
Соавторы: Баимова Ю.А.
Организация: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфа
На сегодняшний день активно ведутся исследования взаимодействия графена с наночастицами различных металлов, таких как медь, алюминий, никель, титан и т.д. Структуры графен-металл особенно интересны тем, что могут отображать не только отдельные свойства графена, но приобрести качественно новые. В данной работе методом молекулярной динамики исследуется деформационное поведение композитов на основе графена и наночастиц металла: Ni и Cu.
Для того, чтобы получить композит, структуры графен-металл подвергаются выдержке при комнатной температуре с последующим гидростатическим сжатием при 1000 К [1]. На рис. 1 показаны структуры графен-металл с разными наночастицами металлов в процессе гидростатического сжатия. Как видно, наночастицы Ni и Cu по-разному взаимодействуют с графеном. Так как энергия связи центра d-зоны ниже уровня Ферми для Ni(111) составляет -1,29 эВ, а для Cu(111) это значение в два раза меньше и она равна -2,67 эВ. Вследствие этого, графен и Ni сильно взаимодействуют между собой: происходит покрытие наночастиц никеля листом графена. Для наночастиц меди с гораздо меньшей энергией связи наблюдается обратная ситуация: графен и наночастицы Cu колеблются под влиянием температуры, но не взаимодействуют. Однако, при сжатии оба композита образуют однородные структуры. Для оценки прочности, полученные структуры подвергают одноосному растяжению.
Рис. 1. Структура композита (а) графен-Ni и (б) графен-Cu в процессе гидростатического сжатия.
Результаты моделирования показывают, что композит на основе графена и наночастиц Cu демонстрирует лучшие механические свойства, чем композит с наночастицами Ni. Наибольшее значение модуля Юнга получено для композита графен-Cu (E = 284 ГПа), так как в этой структуре за счет плавления наночастиц Cu в процессе гидростатического сжатия при температуре 1000 К, формирование новых химических связей между отдельными элементами композита происходит легче. Температура плавления наночастиц Ni несколько выше, поэтому количество новых ковалентных связей меньше, следовательно, модуль Юнга (E = 235 ГПа) и прочность композита будут ниже. Однако важно отметить, что оба композита выдерживают большие степени деформации при одноосном растяжении. Полученные результаты способствуют лучшему пониманию процессов получения, деформационного поведения и механических свойств композитов на основе графена и наночастиц металла.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (грант № 20 72 10112).
1.Safina L.R., et all. Ni–Graphene composite obtained by pressure-temperature treatment: atomistic simulations. // Phys. Status Solidi RRL. 2021. P. 2100429.