Защитный слой из композита на основе графена и никеля повышает прочность металлической поверхности, на которую он наносится. К такому выводу учёные пришли на основании компьютерного моделирования. Они показали, что композитное покрытие даже малой толщины (один нанометр) делает металлическую поверхность почти в два раза прочнее, а при толщине покрытия пять нанометров — в четыре раза. Однако пластичность поверхности металла снижается при увеличении толщины покрытия. Полученные результаты позволят создавать материалы с регулируемой прочностью и использовать их в качестве покрытий металлических поверхностей деталей аэрокосмического, медицинского и промышленного назначения. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.
Металлические поверхности деталей машин и приборов изнашиваются в процессе эксплуатации. Для уменьшения износа их можно покрывать композитами на основе графена с металлическими частицами (например алюминия, никеля и меди). Это улучшает износостойкость и коррозионную стойкость металлических поверхностей, а потому широко применяется в электронике, машино- и приборостроении. Однако важно не только защищать поверхность ответственных деталей, но и упрочнять её. Поэтому учёные стремятся понять, какая толщина композита будет оптимальной для эффективного упрочнения и защиты металлической поверхности приборов.
Исследователи из Института проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа) создали математическую модель для исследования свойств композитов из графена и наночастиц никеля. Сначала научная группа смоделировала процесс синтеза композита, когда графен и наночастицы никеля смешивают и сжимают при 727°С и давлении в четыре раза выше атмосферного. Эти условия были выбраны, так как в более ранних работах авторы показали, что в таком режиме формируется прочная композитная структура. Далее учёные моделировали нанесение композита на поверхность никеля. Авторы взяли именно этот металл, потому что он хорошо сопротивляется коррозии и кислородному окислению и по этим свойствам близок к титану, широко используемому в технике. Титан — крайне дорогостоящий металл, а никель, хоть и дешёвый, имеет по сравнению с титаном низкую прочность. Поэтому, чтобы никель по прочности мог конкурировать с титаном, учёные решили упрочнить его поверхность графеновым композитом.
Авторы рассмотрели защитные слои разной толщины — от 1 до 5,1 нанометров, — чтобы понять, как именно этот параметр влияет на прочность и пластичность образца. Композитные покрытия толщиной больше 5,1 нанометров учёные не исследовали, предполагая, что при дальнейшем увеличении толщины прочность на разрыв и пластичность будут меняться незначительно. Такое предположение было сделано потому, что прочность никелевой поверхности с толщиной покрытия 5,1 нанометров была близка к прочности чистого композита на основе графена и никеля, то есть к максимально возможному значению.
Моделирование показало: чем толще композитное покрытие, тем сложнее разрушить образец. Так, прочность поверхности никеля с защитным слоем толщиной пять нанометров прочность на разрыв была на 15% больше, чем у образца с покрытием толщиной один нанометр. При этом увеличение толщины покрытия с одного до двух нанометров приводило к уменьшению пластичности на 4%. При большей толщине пластичность практически не менялась. Благодаря такому композитному покрытию детали машин — например газотурбинные двигатели — будут прочнее, а обшивка космических кораблей — менее восприимчива к внешним воздействиям.
«Мы выбрали такое покрытие для нанесения на металлы потому, что композит обеспечивает деталям машин и приборов высокую прочность и износостойкость. Он же сможет защитить металлы от царапин и ударов. Все эти результаты многолетней работы по созданию композитов позволят металлическим поверхностям меньше изнашиваться. В дальнейшем мы планируем изучать практическое применение композитов с уже известными нам свойствами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Баимова, доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующая молодёжной лабораторией «Физика и механика углеродных наноматериалов» ИПСМ РАН.
