Московский экономический журнал 5/2021

image_pdfimage_print

УДК 620.17.537.806

DOI 10.24412/2413-046Х-2021-10489

Современное состояние технологии получения и исследований свойств композита корунд-графен

The current state of technology for obtaining and researching the properties of the corundum-graphene composite

Жолнин А.Г., Хафизов Р.С.

ФГБОУ ВО «Государственный Университет по Землеустройству», 105064, Россия, г.Москва, ул. Казакова, д.15, Телелефон: 8-917-519-81-41, E-mail: azholnin@list.ru

Zholnin A.G., Khafizov R.S.

Аннотация. Работа посвящена обзору публикаций авторов по композиту корунд-графен. Показано, что этот композит является перспективным материалом как с точки зрения снижения износа при трении, так и с точки зрения получения проводящей керамики, имеющей независимое от температуры электросопротивление. Рассмотрены возможные механизмы аномального снижения коэффициента трения и электрического сопротивления композита.

Summary. The work is devoted to a review of the authors’ publications on the corundum-graphene composite. It is shown that this composite is a promising material both from the point of view of reducing wear during friction, and from the point of view of obtaining conductive ceramics having temperature-independent electrical resistance. Possible mechanisms of anomalous reduction of the coefficient of friction and electrical resistance of the composite are considered.

Ключевые слова: композиты, плазменное спекание, корунд, графен, коэффициент трения, электросопротивление.

Keywords: composites, plasma sintering, corundum, graphene, coefficient of friction, electrical resistance.

Целью данной работы является обзор публикаций по узкому кругу композитов, а именно, корунд-графен, по которому проведено достаточно много исследований для обобщений и выявления закономерностей. 

Графен, являющийся двумерной алотропной модификацией графита, был получен Новоселовым и Геймом в 2005 году [1]. Он обладает рядом уникальных электрофизических, механических, тепловых свойств. На рис. 1 показан порошок графена, получаемый в промышленных масштабах методом ультразвуковой эксфолиации микрокристаллических кристаллов графита.

Композит корунд-графен получают путем ультразвукового перемешивания в жидкости порошка графена и нанопорошка оксида алюминия с последующим их спарк-плазменным спеканием СПС). В процессе спекания частицы графена оказываются вмурованы в зерна корунда или располагаются на их границах, оказывая армирующее воздействие. Присутствие графена в спеченном композите проявляется как в незначительном снижении плотности компакта, так и в увеличении его микротвердости [2]. Приведены также результаты испытаний на истирание композита при круговом движении сапфирового шарика по его поверхности при комнатной температуре. На рис. 2 представлены профилограмма дорожки износа и ее внешний вид для чистого корунда. Видны вырванные зерна и наноразмерные частицы (результат истирания зерен). При содержании графена 1 и 2 % дорожка износа почти отсутствует. Величина износа в обоих случаях ниже, чем у чистого корунда на 2 порядка. Коэффициент трения при этом снижается на 40 % у композита с 1% графена и на 20% у композита с 2% графена [3] Вид поверхности дорожек износа приведен на рис. 3.

При 1% графена видно проявление армирующего эффекта графена: зерна почти не выбиваются с трущейся поверхности. При 2% графена поверхность износа почти полностью покрыта вязкой массой, работающей в качестве прослойки между трущимися поверхностями. Предполагается, что вязкая масса состоит из наночастиц корунда с ювенильными поверхностями, образующимися на начальной стадии износа и частицами графена, вымывающимися из композита при трении.

Если чешуйки графена равномерно распределены в объеме композита, при достаточном их количестве они могут выстраиваться в цепочки или сетки с образованием электрических контактов между чешуйками. При свойственной графену высокой электропроводности и непроводящем наполнителе композит становится проводящим [4-6], причем, при разных способах получения самого графена. Так в работе [4] применяли окисленный графен. Смесь порошков получали коллоидным способом. В работах [5, 6] графен получали из порошка графита, измельчая его в смеси с оксидом алюминия в шаровой мельнице по способу, предложенному в [7].

Большинство измерений проводимости композита корунд-графен проводили при комнатной температуре и ниже. Однако в серии работ [3, 8-11] электросопротивление измеряли при равномерном нагреве до температуры 1600оС. Показано, что при получении композита методом СПС при давлении 40 МПа, сопротивление уменьшалось с температурой на 4 порядка по экспонененте, что характерно для чистого оксида алюминия, у которого ионная проводимость после 450оС переходит в электронную. Присутствие графена вплоть до его концентрации в композите до 2 вес.% практически не сказывалось на электросопротивлении [3]. Важной особенностью температурной зависимости удельного электросопротивления в этом случае является его обратимость при охлаждении.

Если спекание смеси порошков с содержанием графена 2 вес.% проводили без приложения давления к пуансонам (на порошок воздействовал только вес токоподводящего плунжера установки), электросопротивление полученной таблетки после остывания до комнатной температуры было на 6 порядков ниже, чем обычно. Последующих нагреве-охлаждении с одновременным измерением электросопротивления сопротивление практически не изменялось и составляло 0,25 Ом*м.

Еще более низкие значения электросопротивления получены при спекании смеси оксида алюминия с 2 вес% графена в установке горячего прессования при радиационном нагреве [8]. В процессе нагрева и часовой выдержке при 1600оС сопротивление приблизилось к значениям, характерным для композитов, спеченных в СПС без приложения давления, но при последующем охлаждении до комнатной температуре оно упало еще на 3 порядка и составило 0,09 Ом*м, т.е. стало на 7 порядков меньше, чем у корунда и композитов, спеченных в СПС при приложении давления 40 МПа. Фотография скола такого композита, сделанная на РЭМ без нанесения проводящего покрытия, показана на рис. 4. Электропроводные участки имеют более темный цвет. Видно, что они образуют сетку, пронизывающую объем композита и обеспечивающую электропроводность всего образца. Темные участки при большем увеличении имеют столбчатую структуру, что не характерно для корунда.

В работе [9] установлено, что в процессе выдержки при температуре 1600оС в композите происходит химическое взаимодействие между углеродом графена и оксидом алюминия с образованием карбида алюминия и окиси углерода. Результатом такой реакции является образование пористой крупнозернистой структуры из зерен корунда и хлопьев карбида алюминия. Указанную температуру можно рассматривать как температурный предел устойчивости композита корунд-графен.

Проведенный обзор показал, что композит корунд-графен является перспективным материалом как с точки зрения снижения износа при трении, так и с точки зрения получения проводящей керамики, имеющей независимое от температуры электросопротивление.

Литература

  1. Stankovich S., DiKin D.A., Dommet G.H. et al. Graphene-based composite materials// Nature -2006. V.442. – P.282-286.
  2. Жолнин А.Г., Кляцкина Е.А., Григорьев Е.Г. и др.,      Спарк-плазменное спекание нанокомпозита Al2O3–графен // Физика и химия обработки материалов. -2017. № 4. – С.47-54.
  3. Stolyarov V.V., Zholnin A.G., Klyatskina E.A., Structure and properties of nanocomposite Al2O3 + G processed by SPS //. Monograph. Perspective materials and technologies, Vitebsk, Belarussia, -2017, V.1. –P.92-107.
  4. Centeno A., Rocha V.G., Alonso B. et al. Graphene for tough and electroconductive alumina ceramics // Journal of the European Ceramic Society. -2013. V33. –P.3201–3210/
  5. Wan Jiang, Yuchi Fan and Akira Kawasaki. Highly Conductive Few-Layer Graphene/Al2O3 Nanocomposites with Tunable Charge Carrier Type //Adv. Funct. Mater. -2012. –P.1-7. DOI: 10.1002/adfm.201200632
  6. Yuchi Fan , Lianjun Wang , Jianlin Li et al. Preparation and electrical properties of graphene nanosheet/Al2O3 composites //Carbon -2010. V.48. P.1743-1749.
  7. Ting He1;2, Jianlin Li3, Lianjun Wang. Preparation and Consolidation of Alumina/Graphene Composite Powders // Materials Transactions.-2009. V.50, № 4 -P.749-751.
  8. Жолнин А.Г.Тенишев А.В., Столяров В.В. Влияние термомеханических условий компактирования на электросопротивление композита Al2O3/графен // Деформация и разрушение материалов. -2019. №2. -С.20-27.
  9. Жолнин А.Г., Столяров В.В., Савельев М.Д., Шорников Д.П. Термостойкость композита корунд-графен // Сборник докладов 11-го Международного симпозиума (Минск, 10-12 апреля 2019 г.) Порошковая металлургия: Инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка. Минск.-2019. -С.460-469.
  10. A. S. Bolinches, E. Klyatskina, E. F. S. López, A. et al. Eelectroconductivity of Al2O3/ graphene nanocomposite processed by sps technique // Синтез и консолидация порошковых материалов: Сборник тезисов Международной конференции (23–26 октября 2018 г., Черноголовка) /Под редакцией М.И. Алымова, О.А. Голосовой. — М.: ТОРУС ПРЕСС. -2018. С.21.
  11. Столяров В.В., Фролова А.В., Жолнин А.Г., Суджанская И.В. Электросопротивление нанокомпозитной керамики Al2O3/графен // «Перспективные материалы и технологии». Сборник материалов международного симпозиума. Под общей редакцией В.В. Рубаника. Витебск. -2019. С.259-261.