Влияние графена на реологические свойства нанопорошков оксида алюминия и диоксида циркония

Аннотация: Использование наноструктурированных композитных порошков на основе оксида алюминия или диоксида циркония и графена позволяет получать керамические материалы с высокой плотностью и электропроводностью. Они необходимы для разработки малогабаритных высокоскоростных электронных устройств с широким спектром функций и низким энергопотреблением благодаря наличию специфических взаимодействий в сложных наноструктурах и уменьшенным потерям энергии в окружающую среду. Оригинальный метод синтеза химически однородного композитного порошка на основе бескислородного графена и наноструктурированных оксидов алюминия и циркония был разработан в ИМЕТ РАН (Москва). Уникальность этого метода заключается в сочетании золь-гель синтеза и ультразвуковой эксфолиации графеновых листов с поверхности синтетического графита в водно-органическом коллоиде [1-3]. Синтезированные порошки графен-оксид металла были охарактеризованы с помощью рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (TEM), просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM, EELS), вибрационной спектроскопии, диффузионной аэрозольной спектрометрии и элементного анализа. Было показано, что метод позволяет получать ультрадисперсные оксиды металлов (Zr и Al), избегая при этом агломерации графена в объеме материала. В последнее время мы сосредоточились на реологических исследованиях, которые показали, что даже низкое содержание графена, 0,8-2,0 мас.%, приводит к снижению сжимаемости композитов по сравнению с чистыми оксидами металлов, полученными в тех же условиях. Была определена зависимость сжимаемости от напряжения, рассчитаны модуль сжимаемости, предельные значения деформации линейного участка и коэффициент сжимаемости. Проведен всесторонний сравнительный анализ результатов для композитов и чистых нанопорошков оксидов алюминия и циркония. На начальном этапе, при низком давлении, наблюдалось линейное увеличение значения деформации в зависимости от напряжения, что характерно для области упругой деформации. Затем кривые изгибались из-за перехода систем в область пластической деформации вследствие образования дислокаций. В случае композита этот излом обусловлен изменением механизма, происходящим при несколько более высоком напряжении и меньшей степени деформации по сравнению с чистым оксидом. Подобное влияние добавок графена на реологические свойства наблюдалось в случае графеносодержащих композитов на основе как оксида алюминия, так и диоксида циркония. Были рассчитаны параметры сжимаемости для композитов графен-оксид алюминия и графен-диоксид циркония, и они были сопоставлены с данными для чистого диоксида циркония и оксида алюминия. Поскольку модуль сжимаемости равен тангенсу угла линейного участка реологической кривой, было установлено, что его значение для композитного порошка более чем вдвое выше по сравнению с чистым оксидом металла. Например, для композита графен-оксид алюминия предельное значение линейной деформации более чем на четверть ниже, чем этот параметр для чистого оксида алюминия. Также коэффициент сжимаемости для этого композита в 1,85 раза меньше, чем для чистого оксида алюминия. Результаты для композита графен-диоксид циркония имеют схожий характер: модуль сжимаемости композита в полтора раза выше, чем у чистого нанопорошка диоксида циркония; предельная деформация композита уменьшилась на 8% по сравнению с чистым нанодиоксидом циркония; коэффициент сжимаемости композита также снизился на 42% по сравнению с чистым нанодиоксидом циркония [4,5]. Было установлено, что упругость полученного спеченного композитного материала выше, чем у керамики из чистого оксида металла. Полученные результаты позволяют считать нашу разработку перспективной для создания технологии мелкозернистой керамики с улучшенными механическими свойствами, такими как твердость, ударная вязкость и прочность на изгиб. Ключевые слова: графеновая керамика; реология; модуль сжимаемости, композит нанодиоксида циркония, композит наноглинозема. Полная статья: https://proceedings.iaamonline.org/article/vpoam-2021-0172 Присоединяйтесь к нам: https://www.iaamonline.org/