ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТА ГРАФЕН-НИКЕЛЬ И ОЦЕНКА ЕГО МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ 6
1.1 Метод молекулярной динамики 6
1.2 Потенциалы межатомного взаимодействия 7
1.2.1 Потенциал AIREBO 8
1.2.2 Потенциал Морзе 8
1.2.3 Потенциал ReaxFF 9
1.3 Взаимодействие частиц и полиморфов углерода 10
2. ПРИМЕНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА МОРЗЕ 13
2.1 Наночастицы никеля 13
2.1.1 Начальная структура и плавление 13
2.1.2 Наночастица никеля и полиморфы углерода 15
2.1.3 Плавление наночастицы на листе графена 19
2.2 Сравнение потенциалов межатомного взаимодействия 20
3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА 25
3.1 Описание начальной структуры 25
3.2 Получение композита 27
3.2.1 Гидростатическое давление 27
3.2.2. Гидростатическое давление при повышенных температурах 29
3.2.3. Гидростатическое давление с последующим отжигом 30
4. ПРОЧНОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА 31
4.1 Структура после гидростатическом сжатия при 0 К 31
4.2. Структура после сжатием с последующим отжигом 34
4.3. Композит с наночастицами Ni47 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 42
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ 6
1.1 Метод молекулярной динамики 6
1.2 Потенциалы межатомного взаимодействия 7
1.2.1 Потенциал AIREBO 8
1.2.2 Потенциал Морзе 8
1.2.3 Потенциал ReaxFF 9
1.3 Взаимодействие частиц и полиморфов углерода 10
2. ПРИМЕНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА МОРЗЕ 13
2.1 Наночастицы никеля 13
2.1.1 Начальная структура и плавление 13
2.1.2 Наночастица никеля и полиморфы углерода 15
2.1.3 Плавление наночастицы на листе графена 19
2.2 Сравнение потенциалов межатомного взаимодействия 20
3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА 25
3.1 Описание начальной структуры 25
3.2 Получение композита 27
3.2.1 Гидростатическое давление 27
3.2.2. Гидростатическое давление при повышенных температурах 29
3.2.3. Гидростатическое давление с последующим отжигом 30
4. ПРОЧНОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА 31
4.1 Структура после гидростатическом сжатия при 0 К 31
4.2. Структура после сжатием с последующим отжигом 34
4.3. Композит с наночастицами Ni47 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 42
Нанокомпозиты на основе графена - относительно новые материалы с превосходными механическими, электрическими, электронными и химическими свойствами для применений в различных областях, например, для электрических и электронных приборов или машиностроении. Металлы, полимеры, неорганические волокна и другие компоненты улучшают свойства графена, они образуют своего рода сложную структуру в наноразмерном масштабе.
Композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.
Одним из компонентов композиционных материалов является наполнитель, обеспечивающий необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом - матрица. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.
Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.
В данной работе рассматривался композит на основе графена и никеля. Благодаря своим физико-механическим свойствам никель используется в широком спектре отраслей. Качественно отличительными свойствами считаются его коррозионная стойкость, устойчивость при высоких температурах, прочность, пластичность, ударная вязкость, способность к переработке, а также каталитические и электромагнитные свойства.
Один из вариантов углеродных структур, подходящих для заполнения наночастицами металлов, является скомканный графен, который в последнее время активно исследуется с точки зрения его использования в энергетике и других применениях [9, с. 095302; 30, с. 81-85; 46, с. 40-43; 50, с. 15233]. Такая структура представляет собой пористый материал, состоящий из смятых, скомканных листов графена разного размера, соединенных между собой силами Ван-дер-Ваальса. Структуры графен-металл особенно интересны тем, что могут отображать не только отдельные свойства графена, но приобрести качественно новые.
Метод молекулярной динамики (МД), используемый в данной работе, позволяет исследовать поведение такой системы на атомарном уровне, а также производить расчет всех необходимых механических характеристик. Так, было показано, что моделирование позволяет воспроизводить каталитический рост углеродной нанотрубки на частице Ni [47, с. 246]. Метод МД был использован для исследования формирования металлофуллеренов [48, с. 355-358] и одностенных углеродных нанотрубок [43, с. 842-848] в процессе катализа в присутствии наночастиц металлов.
Объектом исследования является композитный материал на основе скомканного графена и наночастиц металла.
Предметом исследования является изучение процесса формирования композита графен-никель, в частности оценка влияния размера наночастиц никеля на процесс формирования композита, влияние деформационно-термической обработки на формирование композита и анализ механических свойств полученного материала.
Целью настоящей работы является получение, изучение деформационного поведения и структурных изменений композита графен- никель. В связи с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. Провести сравнение потенциалов межатомного взаимодействия для описания структуры никель-графен и подобрать наиболее реалистичный потенциал;
2. Провести моделирование гидростатического сжатия системы графеновых чешуек и наночастиц никеля;
3. Исследовать влияние температуры деформации на формирование композита никель-графен;
4. Оценить прочность и механические свойства полученных материалов.
Объем и структура работы. Выпускная квалификационная работа по программе бакалавриата состоит из введения, четырех глав, включающих в себя 10 параграфов, 9 подпараграфов, заключения, списка использованных источников и литературы (51 источник). Общий объем работы составляет 47 страниц.
Композиционные материалы (композиты) - искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.
Одним из компонентов композиционных материалов является наполнитель, обеспечивающий необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом - матрица. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.
Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.
В данной работе рассматривался композит на основе графена и никеля. Благодаря своим физико-механическим свойствам никель используется в широком спектре отраслей. Качественно отличительными свойствами считаются его коррозионная стойкость, устойчивость при высоких температурах, прочность, пластичность, ударная вязкость, способность к переработке, а также каталитические и электромагнитные свойства.
Один из вариантов углеродных структур, подходящих для заполнения наночастицами металлов, является скомканный графен, который в последнее время активно исследуется с точки зрения его использования в энергетике и других применениях [9, с. 095302; 30, с. 81-85; 46, с. 40-43; 50, с. 15233]. Такая структура представляет собой пористый материал, состоящий из смятых, скомканных листов графена разного размера, соединенных между собой силами Ван-дер-Ваальса. Структуры графен-металл особенно интересны тем, что могут отображать не только отдельные свойства графена, но приобрести качественно новые.
Метод молекулярной динамики (МД), используемый в данной работе, позволяет исследовать поведение такой системы на атомарном уровне, а также производить расчет всех необходимых механических характеристик. Так, было показано, что моделирование позволяет воспроизводить каталитический рост углеродной нанотрубки на частице Ni [47, с. 246]. Метод МД был использован для исследования формирования металлофуллеренов [48, с. 355-358] и одностенных углеродных нанотрубок [43, с. 842-848] в процессе катализа в присутствии наночастиц металлов.
Объектом исследования является композитный материал на основе скомканного графена и наночастиц металла.
Предметом исследования является изучение процесса формирования композита графен-никель, в частности оценка влияния размера наночастиц никеля на процесс формирования композита, влияние деформационно-термической обработки на формирование композита и анализ механических свойств полученного материала.
Целью настоящей работы является получение, изучение деформационного поведения и структурных изменений композита графен- никель. В связи с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. Провести сравнение потенциалов межатомного взаимодействия для описания структуры никель-графен и подобрать наиболее реалистичный потенциал;
2. Провести моделирование гидростатического сжатия системы графеновых чешуек и наночастиц никеля;
3. Исследовать влияние температуры деформации на формирование композита никель-графен;
4. Оценить прочность и механические свойства полученных материалов.
Объем и структура работы. Выпускная квалификационная работа по программе бакалавриата состоит из введения, четырех глав, включающих в себя 10 параграфов, 9 подпараграфов, заключения, списка использованных источников и литературы (51 источник). Общий объем работы составляет 47 страниц.
Композиты на основе графена обладают привлекательными механическими и физическими свойствами, которые открывают возможности для реализации новых конструкционных решений и технологических процессов. Новые волокна, полимеры и технологии обработки для всех классов композитов постоянно развиваются. В данной работе методом молекулярной динамики исследованы возможности получения и механические свойства нанокомпозитов, состоящих из смятых чешуек графена и наночастиц Ni разного размера, полученные посредством гидростатического сжатия.
Было выявлено, что в процессе гидростатической деформации при температуре близкой 0 К не происходит формирование химических связей между структурными элементами материала. Обнаруженное в данной работе увеличение жесткости и прочности материала под действием сжатия, происходящее вследствие формирования сгибов и складок отдельных листов - является препятствием для дальнейшей деформации. Полученный при гидростатическом сжатии при 0 К материал не является композитом.
Чтобы происходили структурные перестройки необходимы повышенные температуры, поэтому было проведено гидростатическое сжатие также при 1000 К и 2000 К. Сравнение кривых давление-деформация демонстрирует, что повышение температуры облегчает формирование химических связей, атомы соседних чешуек образуют новые соединения, что свидетельствует о формировании композитной структуры. Кроме того, даже температура 1000 К приводит к плавлению наночастиц никеля, поскольку для частиц столь малого размера температура плавления составляет около 1360 К, хотя плавление на поверхности начинается еще раньше. Таким образом, частицы плавятся, что способствует лучшему распределению атомов никеля в структуре итогового композита. При растяжении образцов после сжатия при повышенных температурах формирование пор в структуре
и разрушение происходит гораздо позже. Формированию более плотной структуры также способствует то, что структурные элементы могут легко вращаться, заполняя пустое пространство и более плотно укладываясь в прочный композитный материал.
Размер наночастиц никеля также оказывает большое влияние на формирование композита. В данной работе показано, что наилучшими характеристиками обладает материал с наночастицами Ni47, что можно объяснить тем, что данная наночастица достаточно большая, чтобы сильно влиять на свойства композита (в отличие от наночастицы Ni21), но в то же время не полностью заполняет полость чешуйки, позволяя ей свободно облеплять частицу, при повышенных температурах даже меняя ее форму. Наночастицы Ni78 почти полностью заполняют чешуйку графена, она легко облепляет частицу, возможно, препятствуя соединению соседних частиц между собой. Деформировать такую структурную единицу оказывается сложнее, чем в случае с частицей Ni47.
Настоящая работа показала, что специальная высокотемпературная обработка является эффективным способом изготовления
металлокерамических нанокомпозитов. Полученные результаты открывают новые возможности для изготовления композитов с улучшенными механическими свойствами.
Было выявлено, что в процессе гидростатической деформации при температуре близкой 0 К не происходит формирование химических связей между структурными элементами материала. Обнаруженное в данной работе увеличение жесткости и прочности материала под действием сжатия, происходящее вследствие формирования сгибов и складок отдельных листов - является препятствием для дальнейшей деформации. Полученный при гидростатическом сжатии при 0 К материал не является композитом.
Чтобы происходили структурные перестройки необходимы повышенные температуры, поэтому было проведено гидростатическое сжатие также при 1000 К и 2000 К. Сравнение кривых давление-деформация демонстрирует, что повышение температуры облегчает формирование химических связей, атомы соседних чешуек образуют новые соединения, что свидетельствует о формировании композитной структуры. Кроме того, даже температура 1000 К приводит к плавлению наночастиц никеля, поскольку для частиц столь малого размера температура плавления составляет около 1360 К, хотя плавление на поверхности начинается еще раньше. Таким образом, частицы плавятся, что способствует лучшему распределению атомов никеля в структуре итогового композита. При растяжении образцов после сжатия при повышенных температурах формирование пор в структуре
и разрушение происходит гораздо позже. Формированию более плотной структуры также способствует то, что структурные элементы могут легко вращаться, заполняя пустое пространство и более плотно укладываясь в прочный композитный материал.
Размер наночастиц никеля также оказывает большое влияние на формирование композита. В данной работе показано, что наилучшими характеристиками обладает материал с наночастицами Ni47, что можно объяснить тем, что данная наночастица достаточно большая, чтобы сильно влиять на свойства композита (в отличие от наночастицы Ni21), но в то же время не полностью заполняет полость чешуйки, позволяя ей свободно облеплять частицу, при повышенных температурах даже меняя ее форму. Наночастицы Ni78 почти полностью заполняют чешуйку графена, она легко облепляет частицу, возможно, препятствуя соединению соседних частиц между собой. Деформировать такую структурную единицу оказывается сложнее, чем в случае с частицей Ni47.
Настоящая работа показала, что специальная высокотемпературная обработка является эффективным способом изготовления
металлокерамических нанокомпозитов. Полученные результаты открывают новые возможности для изготовления композитов с улучшенными механическими свойствами.