Покриття з графену та нікелю підвищить міцність компонентів для авіації та медицини.
Результати дослідження, підтриманого грантом Президентської програми Російського наукового фонду (РНФ), опубліковані у журналі Surfaces and Interfaces.
Металеві поверхні деталей машин і приладів зношуються в процесі експлуатації. Для зменшення зносу їх можна покривати композитами на основі графену з металевими частинками (наприклад, алюмінію, нікелю та міді). Це покращує зносостійкість і корозійну стійкість металевих поверхонь, тому широко застосовується в електроніці, машинобудуванні та приладобудуванні. Однак важливо не лише захищати поверхню відповідальних деталей, але й зміцнювати її. Тому вчені прагнуть зрозуміти, яка товщина композиту буде оптимальною для ефективного зміцнення і захисту металевої поверхні приладів.
Дослідники з Інституту проблем надпластичності металів РАН (Уфа) створили математичну модель для дослідження властивостей композитів з графену та наночастинок нікелю. Спочатку наукова група змоделювала процес синтезу композиту, коли графен і наночастинки нікелю змішують і стискають при 727°С і тиску в чотири рази вищому за атмосферне. Ці умови були обрані, оскільки в більш ранніх роботах автори показали, що в такому режимі формується міцна композитна структура.
Далі вчені змоделювали нанесення композиту на поверхню нікелю. Автори обрали саме цей метал, оскільки він добре протистоїть корозії та окисленню киснем і за цими властивостями близький до титану, який широко використовується в техніці. Титан — вкрай дорогий метал, а нікель, хоч і дешевий, має в порівнянні з титаном низьку міцність. Тому, щоб нікель за міцністю міг конкурувати з титаном, вчені вирішили зміцнити його поверхню графеновим композитом.
Автори розглянули захисні шари різної товщини — від одного до 5,1 нанометра, — щоб зрозуміти, як саме цей параметр впливає на міцність і пластичність зразка. Композитні покриття товщиною більше 5,1 нанометра вчені не досліджували, припускаючи, що при подальшому збільшенні товщини міцність на розрив і пластичність змінюватимуться незначно. Таке припущення було зроблено, оскільки міцність нікелевої поверхні з товщиною покриття 5,1 нанометра була близька до міцності чистого композиту на основі графену та нікелю, тобто до максимально можливого значення.
Моделювання показало: чим товще композитне покриття, тим складніше зруйнувати зразок. Так, міцність поверхні нікелю з захисним шаром товщиною п’ять нанометрів на міцність на розрив була на 15 відсотків більшою, ніж у зразка з покриттям товщиною один нанометр. При цьому збільшення товщини покриття з одного до двох нанометрів призводило до зменшення пластичності на чотири відсотки. При більшій товщині пластичність практично не змінювалася. Завдяки такому композитному покриттю деталі машин — наприклад, газотурбінні двигуни — будуть міцнішими, а обшивка космічних кораблів — менш чутливою до зовнішніх впливів.
«Ми обрали таке покриття для нанесення на метали, тому що композит забезпечує деталям машин і приладів високу міцність і зносостійкість. Він також зможе захистити метали від подряпин і ударів. Усі ці результати багаторічної роботи зі створення композитів дозволять металевим поверхням менше зношуватися. В подальшому ми плануємо вивчати практичне застосування композитів з уже відомими нам властивостями», — розповідає керівник проєкту, підтриманого грантом РНФ, Юлія Баімова, доктор фізико-математичних наук, професор РАН, керівник молодіжної лабораторії «Фізика і механіка вуглецевих наноматеріалів» ІПСМ РАН.