Механизмы упрочнения в металл-графеновых нанокомпозитах: влияние интерфейсов и аморфной матрицы
В.А. Полухин, С.Х. Эстемирова
ФГБУН «Институт металлургии им. Н.А. Ватолина УрО РАН»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.720
Обзор
Аннотация: Современные исследования металл-графеновых нанокомпозитов (таких как Al/G, Ni/G, Ti/G) демонстрируют их выдающиеся механические свойства при сочетании аморфной металлической матрицы с диспергированным графеном. Анализ литературных данных позволяет выделить два ключевых фактора, ответственных за повышенную прочность и термическую стабильность таких материалов: (i) образование гибридизованных металл-углеродных связей на границе раздела фаз и (ii) особые деформационные механизмы, включая активность зон сдвиговой трансформации и блокировку дислокаций на межфазных границах. Для аморфных сплавов решающую роль играет свободный объем, способствующий локальной реструктуризации и формированию упрочняющих нанофаз. Сравнительный анализ данных молекулярно-динамического моделирования и экспериментальных результатов показывает их хорошую согласованность, что подтверждает эффективность графена в качестве армирующей фазы. Полученные результаты позволяют рассматривать металл-графеновые нанокомпозиты как перспективное направление разработки новых материалов с улучшенными механико-тепловыми характеристиками, в том числе обеспечивающих работу в экстремальных условиях.
Ключевые слова: графен, металлокомпозиты, аморфные сплавы, молекулярно-динамическое моделирование, деформационные механизмы, армирование, гибридизация связей, интерфейсные взаимодействия, механические свойства
- Полухин Валерий Анатольевич – д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии им. Н.А. Ватолина УрО РАН»
- Эстемирова Светлана Хусаиновна – к.х.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии им. Н.А. Ватолина УрО РАН»
Ссылка для цитирования:
Полухин, В.А. Механизмы упрочнения в металл-графеновых нанокомпозитах: влияние интерфейсов и аморфной матрицы / В.А. Полухин, С.Х. Эстемирова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 720-732. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.720. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Suryanarayana, C. Bulk metallic glasses / C. Suryanarayana, A. Inoue. – 2nd ed. – Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis, 2017. – 520 p.
2. Полухин, В.А. Водородопроницаемость аморфных, нано- и кристаллических сплавов на основе железа и никеля / В.А. Полухин, Н.И. Сидоров, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 457-473. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.457.
3. Valiev, R.Z. Bulk nanostructured materials: fundamentals and applications / R.Z. Valiev, A.P. Zhilyaev, T.G. Langdon. – Hoboken: John Wiley & Sons, 2013. – 456 p.
4. Белякова, Р.М. Легирование и деформационное упрочнение высокоэнтропийных мембранных, аккумулирующих нано- и кристаллических сплавов / Р.М. Белякова, Э.Д. Курбанова, В.А. Полухин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 512-520. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.512.
5. Kim, Y. Strengthening effect of single-atomic-layer graphene in metal-graphene nanolayered composites / Y. Kim, J. Lee, M.S. Yeom et al. // Nature Communications. – 2013. – V. 4. – Art. № 2114. – 7 p. DOI: 10.1038/ncomms3114.
6. Ovid'ko, I.A. Metal-graphene nanocomposites with enhanced mechanical properties: a review / I.A. Ovid'ko // Reviews on Advanced Materials Science. – 2014. – V. 38. – I. 2. – P. 190-200.
7. Lu, J. Deformation behavior of the Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 bulk metallic glass over a wide range of strain-rates and temperatures / J. Lu, G. Ravichandran, W.L. Johnson // Acta Materialia. – 2003. – V. 51. – I. 12. – P. 3429-3443. DOI: 10.1016/S1359-6454(03)00164-2.
8. Qu, R.T. Progressive shear band propagation in metallic glasses under compression / R.T. Qu, Z.Q. Liu, G. Wang, Z.F. Zhang // Acta Materialia. – 2015. – V. 91. – P. 19-33. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.03.026.
9. Schuh, C.A. Mechanical behavior of amorphous alloys / C.A. Schuh, T.C. Hufnagel, U. Ramamurty // Acta Materialia. – 2007. – V. 55. – I. 12. – P. 4067-4109. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.01.052.
10. Argon, A.S. Plastic flow in a disordered bubble raft (an analog of a metallic glass) / A.S. Argon, H.Y. Kuo // Materials Science and Engineering. – 1979. – V. 39. – I. 1. – P. 101-109. DOI: 10.1016/0025-5416(79)90174-5.
11. Zhang, Y. High-entropy alloys with high saturation magnetization, electrical resistivity and malleability / Y. Zhang, T.T. Zuo, Y.Q. Cheng, P.K. Liaw // Scientific Reports. – 2013. – V. 3. – Art. No. 1455. – 7 p. DOI: 10.1038/srep01455.
12. Gao, M.C. High-Entropy Alloys: Fundamentals and Applications / M.C. Gao, J.-W. Yeh, P.K. Liaw, Y. Zhang. – Cham: Springer, 2016. – 516 p. DOI: 10.1007/978-3-319-27013-5.
13. Polukhin, V.A. Presolidification changes in the structural–dynamic characteristics of glass-forming metallic melts during deep cooling, vitrification, and hydrogenation / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. – I. 8. – P. 758-780. DOI: 10.1134/S0036029519080123.
14. Ioffe, A.F. Non-crystalline, amorphous and liquid electronic semiconductors / A.F. Ioffe, A.R. Regel // Progress in Semiconductors. – 1960. – V. 4. – P. 237-291.
15. Turnbull, D. Under what conditions can a glass be formed? / D. Turnbull // Contemporary Physics. – 1969. – V. 10. – I. 5. – P. 473-481. DOI: 10.1080/00107516908204405.
16. Регель, А.П. Физические свойства электронный расплавов / А.П. Регель, В.М. Глазов. – М.: Наука, 1980. – 296 с.
17. Полухин, В.А. Влияние легирования Ti, Mo и W на кинетические и прочностные характеристики мембранных сплавов на основе Nb и V / В.А. Полухин, Р.М. Белякова, Э.Д. Курбанова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 345-357. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.345.
18. Lyasotsky, I.V. Metastable phases and nanostructuring of Fe-Nb-Si-B base rapidly quenched alloys / I.V. Lyasotsky, N.B. Dyakonova, D.L. Dyakonov, E.N. Vlasova, M.Yu. Jazvitsky // Reviews on Advanced Materials Science. – 2008. – V. 18. – I. 2. – P. 695-702.
19. Cheng, Y.Q. Atomic-level structure and structure–property relationship in metallic glasses / Y.Q. Cheng, E. Ma // Progress in Materials Science. – 2011. – V. 56. – I. 4. – P. 379-473. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2010.12.002.
20. Maaß, R. Shear-band dynamics in metallic glasses / R. Maaß, J.F. Loffler // Advanced Functional Materials. – 2015. – V. 25. – I. 16. – P. 2353-2368. DOI: 10.1002/adfm.201404223.
21. Galashev, A.E. Computer analysis of the stability of copper films on graphene / A.E. Galashev, V.A. Polukhin // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2014. – V. 88. – I. 6. – P. 995-999. DOI: 10.1134/S0036024414060120.
22. Egami, T. Atomic level stresses / T. Egami // Progress in Materials Science. – 2011. – V. 56. – I. 6. – P. 637-653. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2011.01.004.
23. Georgakilas, V. Noncovalent functionalization of graphene and graphene oxide for energy materials, biosensing, catalytic, and biomedical applications / V. Georgakilas, J.N. Tiwari, K.C. Kemp et al. // Chemical Reviews. – 2016. – V. 116. – I. 9. – P. 5464-5519. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00620.
24. Inoue, A. Recent development and application products of bulk glassy alloys / A. Inoue, A. Takeuchi // Acta Materialia. – 2011. – V. 59. – I. 6. – P. 2243-2267. DOI: 10.1016/j.actamat.2010.11.027.