Данное исследование было просмотрен 357 раз

Высокопрочные конструкционные и функциональные композиты с графеном и матрицей на основе алюминиевых и медных сплавов

Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).

Срок реализации: 2020-2025 гг.

Исполнитель: Научно-исследовательская лаборатория «Механика новых наноматериалов» (МНН)

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Получены образцы композитов «алюминий-графен» для экспериментальных исследований и механических испытаний

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

Объемные композиты на основе алюминия, упрочненные графеном (Al-Gr), представляют большой интерес для использования в транспортной и аэрокосмической промышленности [1]. Вместе с тем создание таких композитов сопровождается целым рядом сложностей. К ним, в частности, относятся невозможность получения объемных материалов из алюминия классическим методом порошковой металлургии, а также склонность алюминия к образованию карбидов при высокотемпературной обработке. Неравномерность распределения графена и его производных в металлической матрице, его агломерация, а также возможность разрушения двумерной структуры при синтезе и обработке композитов также значительно снижают механические характеристики получаемых композитов [2-7]. Использование современных методов синтеза и обработки композитов «алюминий-графен» позволяет решить указанные проблемы и получить композиты с высокой пластичностью и прочностью для различных приложений.

В ходе реализации мероприятия «Высокопрочные конструкционные и функциональные композиты с графеном и матрицей на основе алюминиевых и медных сплавов» в соответствии с планом работ на 2020 год получены следующие основные результаты.

1) По оригинальной методике порошковой металлургии, включающей in situ получение графена, разработанной исполнителями проекта В.Г. Конаковым, И.Ю. Арчаковым и О.Ю. Кураповой, изготовлены образцы композитов «алюминий-графен» с массовой долей графена 1-5 %.

2) Для получения образцов с улучшенной структурой произведен синтез образцов на основе порошков алюминия различной дисперсности – АСД (средний размер частиц порошка 7 мкм) и ПА-4 (23-46 мкм).

3) Для выявления оптимальных условий спекания и исследования влияния температуры спекания на структуру композитов осуществлен синтез образцов, спеченных в течение 1 часа при различных температурах (400, 450 и 500 °С).

4) Синтезированные образцы подготовлены для проведения структурных исследований и механических испытаний.

Таким образом, осуществлен синтез образцов, различающихся по трем параметрам: массовая доля графена, размер частиц порошка алюминия, используемого в качестве сырья для синтеза композитов, и температуры спекания. В качестве иллюстрации фотографии образцов Al (ПА-4) + 1 вес.% графена, спеченных при разной температуре, представлены на Рисунке 19.1.

Рисунок 19.1 – Фотографии Al (ПА-4) + 1 вес.% графена, спеченных при разной температуре.

Список использованных источников:

  1. Khoshghadam-Pireyousefan M., Rahmanifard R., Orovcik L., Svec P., Klemm V. Application of a novel method for fabrication of graphene reinforced aluminum matrix nanocomposites: Synthesis, microstructure, and mechanical properties // Mater. Sci. Eng. A. - 2020. - V. 772. - Art. No. 138820.
  2. Ovid’ko I.A. Metal-graphene nanocomposites with enhanced mechanical properties: A review // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2014. - V. 38. - № 2. - P. 190–200.
  3. Hu Z., Tong G., Lin D., Chen C., Guo H., Xu J., Zhou L. Graphene-reinforced metal matrix nanocomposites – a review // Mater. Sci. Technol. - 2016. - № 9. - V. 32. - P. 930–953.
  4. Nieto A., Bisht A., Lahiri D., Zhang C., Agarwal A. Graphene reinforced metal and ceramic matrix composites: a review // Int. Mater. Rev. - 2017. - V. 62. - № 5. - P. 241–302.
  5. Hidalgo-Manrique P., Lei X., Xu R. Zhou M., Kinloch I.A., Young R.J. Copper/graphene composites: a review // J. Mater. Sci. - 2019. - V. 54. - P. 12236 –12289.
  6. Dadkhah M., Saboori A., Fino P. An overview of the recent developments in metal matrix nanocomposites reinforced by graphene materials // Materials. - 2019. - V. 12. - № 17. - Art. No. 2823.
  7. Yang M., Liu Y., Fan T., Zhang D. Metal-graphene interfaces in epitaxial and bulk systems: a review // Prog. Mater. Sci. - 2020. - V. 110. - Art. No. 100652.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

На данном этапе проекта осуществлен синтез композитов «алюминий-графен», но еще не исследованы их структура и свойства. В связи с этим на данном этапе сопоставить с мировым уровнем можно лишь свойства, которые можно ожидать от синтезированных композитов. Важной особенностью используемой методики синтеза является прессование объемных композитов при комнатной температуре. Низкая температура позволяет избежать образования хрупких карбидов на этапе прессования композитов и тем самым улучшить механические свойства композитов «алюминий-графен». Таким образом, можно ожидать, что синтезированные композиты будут иметь достаточно высокую трещиностойкость, не уступающую трещиностойкости аналогичных композитов, полученных другими исследовательским группами с помощью других методов синтеза. Поэтому полученные результаты должны соответствовать передовому мировому уровню.

В 2021 году
  • Разработаны теоретические модели, описывающие механические свойства композитов «алюминий-графен».
  • Разработаны теоретические модели, описывающие механические свойства композитов «медь-графен».
  • Получен свод экспериментальных данных о композитах «алюминий-графен».
В 2022 году
  • Разработаны теоретические модели, описывающие механические свойства графеносодержащих композитов с матрицей на основе алюминиевых и медных сплавов.
  • Получены образцы композитов «медь-графен», подготовленные для экспериментальных исследований и механических испытаний.
  • Проведена оптимизация технологии производства композитов «алюминий-графен».
В 2023 году
  • Разработаны теоретические модели, описывающие механические свойства металломатричных композитов с графеновыми пластинками, декорированными наночастицами.
  • Получен свод экспериментальных данных о композитах «медь-графен».
В 2024 году
  • Разработаны теоретические модели, описывающие механические свойства слоистых композитов «металл-графен».
  • Получены образцы композитов графеносодержащих композитов с матрицей на основе алюминиевых и медных сплавов, для экспериментальных исследований и механических испытаний.
В 2025 году
  • Получен свод экспериментальных данных о композитах с матрицей на основе алюминиевых и медных сплавов и графеновыми включениями.
  • Разработаны лабораторные методики синтеза металломатричных композитов с графеном с улучшенными механическими и функциональными свойствами.