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.

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.

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.