ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТА ГРАФЕН-НИКЕЛЬ И ОЦЕНКА ЕГО МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Лилия Сафина

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТА ГРАФЕН-НИКЕЛЬ И ОЦЕНКА ЕГО МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Композиты на основе графена обладают привлекательными механическими и физическими свойствами, которые открывают возможности для реализации новых конструкционных решений и технологических процессов. В данной работе методом молекулярной динамики исследованы процессы формирования композита графен-никель и проведен анализ механических свойств нанокомпозитов, состоящих из смятых чешуек графена и наночастиц Ni, полученные разными способами обработки при разных температурах. 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.

Физика

Дипломы

Вуз: Башкирский государственный университет (БашГУ)

ID: 5f3cb9a9cd3d3e00014d384f

UUID: 6f824930-c40b-0138-1c70-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 117

19.84

Лилия Сафина

Башкирский государственный университет (БашГУ)

Комментировать 12

Рецензировать 3

Скачать - 3,6 МБ

Поделиться работой

ОГЛАВЛЕНИЕ 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 2

ВВЕДЕНИЕ 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. 3

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 деформационнотермической обработки на формирование композита и анализ механических свойств полученного материала. Целью настоящей работы является получение, изучение деформационного поведения и структурных изменений композита графенникель. 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; 4

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. 5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ 1.1 Метод молекулярной динамики Исследование многих материалов обычным опытным путем является достаточно сложной, иногда дорогостоящей задачей. Многие сложные вопросы эффективнее и быстрее можно решить методом компьютерного моделирования. Этот метод позволяет с хорошей вероятностью определить, например, координаты атомов, энергию, температуру и другие параметры системы. Метод МД - это метод, в котором временная эволюция системы взаимодействующих атомов или частиц отслеживается интегрированием их уравнений движения [3, с. 59]. Данный метод с успехом применяется для исследования физико-химических свойств конденсированного состояния вещества – изотропных жидкостей и растворов, жидких кристаллов, твердых тел. Преимуществом данного метода является возможность получения как детальной информации о структуре вещества, так и его термодинамических характеристик. Метод дает информацию о параметрах, которые можно сравнивать с экспериментальными данными [2, с. 91]. В моделировании нужно учесть, что особое влияние имеет потенциал межатомного взаимодействия, а также начальные и граничные условия. Например, среди часто применяемых граничных условий можно назвать периодические и свободные граничные условия. Реальные модели могут содержать не более нескольких миллионов частиц; но даже системы, состоящие из несколько десятков или сотен атомов, или молекул, представляют интерес. Для описания макроскопических тел или сред применяют ряд специальных приёмов и методов. МД особенно полезен при исследовании таких систем (жидкость, плотная плазма и т. д.), в которых средняя кинетическая энергия сравнима с потенциальной энергией. При этом отсутствует малый параметр, позволяющий развить, например, теорию твёрдых тел и газов. В зависимости от размеров системы и времени 6

наблюдения за её эволюцией, а также с точки зрения изучаемых вопросов (стационарные состояния и термодинамика, неравновесные процессы и физ. кинетика и т. п.) все разновидности МД представляют собой иерархическую структуру - от численных экспериментов динамического типа до динамического Монте-Карло метода. В отличие от метода Монте-Карло, разработанного для вычисления равновесных величин, МД позволяет описать приближение системы к состоянию равновесия. Метод МД подходит для множества классических задач (в механике есть основным, можно использовать в термодинамике и др.). Отличительной чертой МД есть тот факт, что для описания движения частиц применяется классическая механика. Силы межатомного взаимодействия можно представить в форме классических потенциальных сил (как градиент потенциальной энергии системы). 1.2 Потенциалы межатомного взаимодействия Чтобы описать и исследовать системы методом молекулярной динамики, необходимо задать потенциалы межатомного взаимодействия для всех атомов системы. При рассмотрении композита на основе скомканного графена и частиц никеля, в системе необходимо задать три типа взаимодействия: взаимодействие между атомами никеля, между атомами углерода и между атомами никеля и углерода. В результате, потенциал системы С-Ni может определяться как сумма трех потенциальных энергий: 𝑈𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 = 𝑈𝐶−𝐶 + 𝑈𝐶−𝑁𝑖 + 𝑈𝑁𝑖−𝑁𝑖 , (1) где UC-C – потенциал взаимодействия атомов углерода (потенциал AIREBO); UC-Ni – потенциал взаимодействия атомов никеля и углерода (потенциал Морзе); UNi-Ni – потенциал взаимодействия атомов никеля (потенциал Морзе). 7

1.2.1 Потенциал AIREBO Для взаимодействия между атомами углерода используется межатомный потенциал AIREBO [45, с. 6472-6486] 𝐿𝐽 𝑇𝑂𝑅𝑆𝐼𝑂𝑁 𝑈𝐶−𝐶 = 𝑈𝑖𝑗𝑅𝐸𝐵𝑂 + 𝑈𝑖𝑗 + ∑𝑘≠𝑖,𝑗 ∑𝑙≠𝑖,𝑗,𝑘 𝑈𝑘𝑖𝑗𝑙 (2) где 𝑈𝑖𝑗𝑅𝐸𝐵𝑂 - потенциал, описывающий изменение межатомной связи, описанный в работе [11, с. 783-802], 𝐿𝐽 𝑈𝑖𝑗 - потенциал Леанарда-Джонса, отвечающий за Ван-дер-Ваальсово взаимодействие и 𝑇𝑂𝑅𝑆𝐼𝑂𝑁 𝑈𝑘𝑖𝑗𝑙 – потенциал, отвечающий за изменение углов поворота в системе. 𝑇𝑂𝑅𝑆𝐼𝑂𝑁 В структуре скомканного графена энергии 𝑈𝑖𝑗𝑅𝐸𝐵𝑂 и 𝑈𝑘𝑖𝑗𝑙 отвечают 𝐿𝐽 за взаимодействие атомов в чешуйках графена, а энергия 𝑈𝑖𝑗 отвечает за взаимодействие между чешуйками в трехмерной структуре. Потенциал AIREBO хорошо апробирован и активно применяется для изучения углеродных структур [1, с. 1949; 4, с. 105-109]. 1.2.2 Потенциал Морзе Для описания взаимодействия атомов Ni и углерода, а также атомов Ni между собой был выбран потенциал Морзе. Основной причиной выбора потенциала Морзе послужила его простота. Его преимуществом является то, что он быстро убывает с расстоянием, что позволяет уменьшить ошибки вычисления, связанные с введением в модель радиуса обрезания. Кроме того, данный потенциал достаточно хорошо описывает взаимодействие атомов металлов и его параметры для многих элементов известны. Модель с потенциалом Морзе позволяет получать реалистичные (наблюдаемые в эксперименте) равновесные формы однородных наночастиц. 8

Записывается потенциал Морзе в следующем виде: 2 𝜑 𝑁𝑖−𝐶 (𝑟) = 𝐷𝑒 [(1 − 𝑒 −𝛼(𝑟−𝑅𝑒 ) ) − 1], (3) где r - расстояние между атомами; D - энергия разрыва связи; Re – равновесная длина связи; β характеризует ширину потенциальной ямы (жесткость связи). Для описания взаимодействия атомов Ni-C использовались параметры De = 0.433 eV, β = 3.244 1/Å и Re = 2.316 Å, полученные методом ab-initio и предложенные в [28, с. 160-164]. А для описания взаимодействия атомов NiNi параметры, предложенные в работе [18, с. 688]: De = 0.4205 eV, β = 1.4199 1/Å и Re = 2.78 Å. 1.2.3 Потенциал ReaxFF Применение достаточно простого потенциала Морзе для описания взаимодействия в сложной системе никель-углерод может привести к результатам, качественно и количественно отличающимся от результатов полученных, например, в эксперименте. Поэтому применение такой модели требует дополнительной проверки путем сравнения с результатами, полученными более сложным потенциалом. Недавно разработанный потенциал реактивных силовых полей ReaxFF (Reactive Force Field) может использоваться для моделирования наноматериалов на основе углерода, включая другие элементы, например, H, O, N, S и некоторые металлы, например, Ni, Ag, Au и др. Потенциал ReaxFF позволяет учитывать вклады в энергию двух-, трёх- и четырёхчастичных взаимодействий, которые описывают ковалентные связи и зависят от вычисляемых по эмпирической формуле порядков связей; учитывать валентность атомов; а также электростатический и дисперсионный вклады. Все это определяет высокую точность вычислений. 9

Данный потенциал применялся для исследования восстановления оксида графена, роста наноструктур, фазового перехода на наноуровне, протонного переноса сквозь графен, взаимодействия в графеновых нанолент с различными наночастицами и т.д. Потенциал ReaxFF учитывает следующие виды энергии: 𝐸𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 = 𝐸𝑏𝑜𝑛𝑑 + 𝐸𝑜𝑣𝑒𝑟 + 𝐸𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟 + 𝐸𝑣𝑎𝑙 + 𝐸𝑝𝑒𝑛 + 𝐸𝑐𝑜𝑎 + 𝐸𝑡𝑜𝑟𝑠 + 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑗 + 𝐸ℎ𝑏𝑜𝑛𝑑 + 𝐸𝑣𝑑𝑊𝑎𝑎𝑙𝑠 + 𝐸𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏 (4) Каждое слагаемое в правой части формулы отвечает за отдельный тип взаимодействия: ковалентное (характеризуется порядком химических связей, слагаемые Ebond, Eover, Eunder), трехчастичное (валентные углы, Eval, Epen, Ecoa), четырехчастичное (двугранные валентные углы, Etors, Econj), кулоновское (ECoulomb), ван-дер-ваальсовое (EvdWaals), водородные связи (Ehbond) и энергия неподеленных электронных пар (Elp) [8, с. 142]. Все параметры потенциала подгоняются под экспериментальные измерения и рассчитываются из квантово-механических расчетов энергии длин и углов связей. В данной работе используются параметры, предложенные в работе [10, с. 43-52]. 1.3 Взаимодействие частиц и полиморфов углерода Графен [17, с. 183-191; 34, с. 109-162; 36, с. 666-669] и углеродные нанотрубки [24, с. 603-605] считаются идеальным материалом для будущих электронных транзисторов, солнечных батарей и т.д. В настоящее время наноматериалы, такие как графен и углеродные нанотрубки, становятся все более и более популярными в качестве армирующих материалов для металлических композитов [35, с. 2228-2236]. Структуры графен-металл особенно интересны тем, что могут отображать не только отдельные свойства графена, но приобрести качественно новые. В последнее время были получены никелевые наномагнетики, созданные из однослойных углеродных нанотрубок [44, с. 15033]. В отличии от других металлов, никель 10

играет важную роль в изготовлении композитов и используются во многих промышленных применениях, например, для аэрокосмической и химической промышленности. Одним из важных преимуществ является то, что никель имеет превосходную смачиваемость для графитовых порошков и не образует фазу карбида [25, с. 31-38]. С этой точки зрения, сочетание преимуществ графена и Ni в композитном материале графен-Ni может привести к достижению улучшенных свойств. Композиты графен-Ni могут быть изготовлены с помощью лазерного спекания [22, с. 143], выращивания с использованием метода порошковой металлургии [27, с. 178-181], струи электролитического осаждения [26, с. 212-219] и т.д. Ожидается, что такие композиты будут иметь отличную устойчивость излучения [23, с. 1-9]; могут быть использованы для хранения водорода [15, с. 1039; 51, с. 15232]. Среди различных композитов графен-Ni, особое внимание уделяется композитам с наночастицами Ni на основе графена [32, с. 2; 33, с. 2932]. Кроме того, наличие Ni может активировать образование новых структурных конфигураций, как нанорулоны [10, с. 45; 41, с. 1280]. Несмотря на интенсивные исследования и огромное количество собранных экспериментальных данных, исследование взаимодействия металлических наночастиц и углеродных наноструктур проявляет большой интерес. Такие исследования могут пролить свет на механизм роста углеродных наночастиц в процессе катализа. Одним из эффективных методов анализа свойств и структуры материалов является моделирование методом молекулярной динамики. Так, например, проведено молекулярно-динамическое исследование образования металлофуллеренов [48, с. 385] и одностенных углеродных нанотрубок в процессе катализа в присутствии металлических наночастиц [43, с. 842-848], что пролило свет на рост углеродных наноструктур. В [47, с. 246] для моделирования каталитического роста одностенных углеродных нанотрубок на никелевых нанокластерах был применен метод ab-initio и многочастичная оптимизация потенциала малых углеводородных систем Ni. Применение 11

комплексной потенциальной функции для взаимодействия Ni-C определенно приведет к количественно правильным результатам, но моделирование большой системы с тысячами атомов требует большого количества вычислительных ресурсов. Таким образом, в некоторых задачах можно использовать простой парный межатомный потенциал, такие как Морзе или Леннард-Джонса [49, с. 16-20]. Показано, что полученные результаты с использованием потенциала Морзе с тщательно выбранными параметрами для моделирования систем C-Ni находятся в качественном согласии с результатами, полученными более сложными методами, которые были описаны в [16, с. 252-258; 28, с. 160-164]. Использование парного потенциала Морзе позволит изучить атомистические детали поведения системы C-Ni, сохраняя четкую физическую картину процессов, происходящих в системе. Особый интерес представляют механические свойства объемных углеродных наноматериалов и их изменение под действием деформации. Например, были проведены эксперименты со скомканным графеном. Было выявлено, что за счет смятия и последующего распрямления размер графеновой бумаги может увеличиться в восемь раз по отношению к первоначальному размеру, более того скомканная графеновая бумага выдерживает 1000 циклов деформации [7]. В последние годы интерес к изучению наноразмерных частиц также существенно возрос. Это связано с тем, что открылись новые перспективные возможности использования наноматериалов во многих областях науки и техники, в частности, для получения эффективных и избирательных катализаторов, для создания элементов микроэлектронных и оптических устройств, для синтеза новых материалов. Ожидается, что материалы на основе графена и металлических наночастиц покажут качественно новые свойства, например, такие как высокая деформируемость и прочность. 12

2. ПРИМЕНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА МОРЗЕ 2.1 Наночастицы никеля Результаты, представленные в этом разделе были опубликованы в [40, с. 1-11]. 2.1.1 Начальная структура и плавление Многочисленные молекулярно-динамические исследования наночастиц Ni проводятся с использованием метода параметризации встроенного атома для межатомного потенциала, который достаточно хорошо воспроизводит свойства нанокластеров Ni. Однако следует отметить, что такие исследования были посвящены изучению отдельных наночастиц металлов, взаимодействующих друг с другом, или наночастиц различных металлов для изучения кинетики взаимодействия, процесса плавления и др. [21, с. 804811]. Даже несмотря на то, что применение потенциала Морзе является упрощенным вариантом реальных систем, оно при правильном использовании дает физически адекватные результаты. Ранее простой парный межатомный потенциал успешно использовался для исследования структурной устойчивости и энергетики нанокластеров никеля, Ni n (n = 3459); поведение плавления и фрагментации нанокластера Ni 429, где обсуждается роль поверхностных и ядерных атомов в процессе плавления и фрагментации [12, с. 1013-101024; 19, с. 1569]. Параметры Морзе, применяемые в данной работе, разработаны в [18, с. 687-690]. На рисунке 2.1а показано, как была получена наночастица Ni из объемного ГЦК кристалла. С использованием программного пакета LAMMPS создается объемный кристалл Ni, а потом из него вырезается сфера радиуса R, так, чтобы получить наночастицу никеля заданного размера. Граничные условия периодические, размер ячейки моделирования выбран достаточно большим, таким образом, чтобы рассматриваемые наночастицы 13

(в соседних ячейках периодичности) не взаимодействовали друг с другом. Пример показан на рисунке 2.1б. Рисунок 2.1 − а) Схема вырезания наночастицы из объемного кристалла Ni. (б) Ячейка моделирования. (в) Потенциальная энергия атомов Ni при релаксации. (г) Функция радиального распределения до и после релаксации. Наночастицы трех разных размеров получают из одного и того же объемного кристалла Ni (111): Ni34 со средним диаметром 7,5 Å, Ni382 (20 Å) и Ni1192 (27 Å). Подобный подход ранее использовался в [12, с. 1013-1-24; 19, с. 1567-1580]. В настоящей работе изучаются только сферические наночастицы и в качестве основного фактора рассматривается размер наночастиц. 14

Все наночастицы релаксируются при комнатной температуре, чтобы достичь минимальной потенциальной энергии. Релаксация приводит к изменению начального межатомного расстояния наночастиц от 2,49 Å до 2,7 Å. Анализ структурного состояния показывает, что частица Ni 34, которая изначально имела тот же структурный порядок, что и объемный образец Ni (111), после релаксации приобрела некоторую разупорядоченность в укладке атомов (см. Рис. 2.1в). Остальные две большие наночастицы Ni сохраняют во время релаксации кристаллический порядок атомов. Следует отметить, что потенциальная энергия поверхностных атомов намного выше у нанокластера Ni34, так как большинство атомов принадлежат поверхности. С помощью анализа калориметрической кривой, среднего межатомного расстояния и функции радиального распределения была определена температура плавления Ni34 ~1360 К. Для сравнения, температура плавления наночастиц Ni размером 6 Å оценивается в 1173 К [14, с. 164-171]. Температура плавления более крупных наночастиц Ni (20 Å и 26 Å) близка к пределу для объемного кристалла Ni (2000 K). Очень близкие критические температуры были подтверждены реалистичной функцией атомного потенциала для Ni [13, с. 7983-7991]. Было обнаружено, что наночастицы с диаметром более 20 Å имеют температуру плавления, близкую к температуре плавления Ni, и могут сохранять кристаллическую структуру, для дальнейших исследований целесообразно выбрать наночастицу того же или большего размера, чтобы избежать влияния выбранных параметров Морзе. 2.1.2 Наночастица никеля и полиморфы углерода На рисунке 2.2 показаны начальные структуры, исследованные в данной работе: графен, нанотрубка и фуллерен, взаимодействующие с наночастицей никеля. Рассматриваются фуллерены двух разных размеров C240 и C540. Для изучения движения наночастиц внутри фуллерена выбран кластер Ni34 с диаметром dNP, близким к диаметру C240 и в два раза меньше, 15

чем диаметр C540, как это видно из рисунка 2.2a. То же самое касается УНТ: диаметр УНТ (11,11) близок к dNP34, а диаметр УНТ (21,21) в два раза больше (см. рис. 2.2б). Следует отметить, что dCNT(11,11) = dC240. Граничное условие для системы Ni-фуллерен такой же, как и для одиночного, и размер ячейки моделирования вдоль x, y и z в 5 раз больше, чем размер рассматриваемого объекта, чтобы избежать взаимодействия (см. Рис. 2.2в). Граничные условия для систем Ni-С являются периодическими вдоль осей x и y с размером ячейки моделирования в 5 раз превышающим dCNT, в то время как вдоль оси z применяются обычные периодические граничные условия (см. Рис. 2.2б). Рисунок 2.2 − Начальные структуры. (а) Наночастицы Ni внутри фуллерена C240 и C540. (б) Наночастицы Ni внутри УНТ (11,11), (21,21) и соответствующая ячейка моделирования. (в) Наночастицы Ni на плоскости графена. 16

Нанокластер Ni34 помещался в центр УНТ для того, чтобы исследовать его подвижность. В качестве исходных УНТ рассматривались УНТ кресло (11,11) диаметром 15 Å и (21,21) диаметром 30 Å. Пример исходной структуры показан на рисунке 2.3а в проекции на плоскость xy. Рисунок 2.3 − (а) Исходная структура УНТ диаметром 30 Å и (б) структура после релаксации в проекции на плоскость ху. В случае нанотрубки диаметром 15 Å наночастица практически полностью вписывается в свободное пространство, при этом большая часть атомов Ni притягиваются к стенке УНТ, деформируя ее стенки. Это свидетельствует о сильном взаимодействии между атомами Ni и C, поскольку УНТ имеют довольно жесткий каркас и не могут быть легко деформированы в отличие от листа графена. В случае УНТ диаметром 30 Å происходит активное передвижение наночастицы внутри оболочки таким образом, чтобы достичь соединения со стенкой УНТ. В этом случае также наблюдается деформирование стенок нанотрубки, так, чтобы подстроиться под форму наночастицы. Далее рассматривался лист графена с закрепленными краями в процессе релаксации (итоговая структура показана на рисунке 2.4а). Края графена были закреплены с помощью периодических граничных условий, то есть реализовался численный эксперимент, где наночастица Ni лежит на бесконечном листе графена. Такой вариант граничных условий был выбран поскольку это имитирует графен как оболочку (или как часть стенки огромной УНТ). В результате наблюдается 17 поведение, аналогично

предыдущему случаю: наночастица прикрепляется к листу графена. Чем дальше расположить частицу от листа, тем дольше она будет двигаться по направлению к нему, однако даже на расстоянии 10 Å силы взаимодействия между листом графена и частицей достаточно сильны. Лист графена изгибается в результате взаимодействия с частицей, как и оболочка нанотрубки. Рисунок 2.4 − Взаимодействие наночастиц Ni34, Ni382 и Ni1192 с листом графена при (а) периодических и (б-г) свободных граничных условиях для разного времени моделирования. На рисунках 2.4б-г представлены наночастицы состоящие из 34, 382, 1192 атомов Ni, взаимодействующие с листом графена для разного времени 18

моделирования. Чтобы проследить динамику взаимодействия углеродного наноматериала с нанокластером Ni граничные условия были выбраны свободные. Значение времени t = 20 пс считается окончательным, потому что даже для наночастицы Ni1192, обернутой графеном с обеих сторон, последующее моделирование не приводит к дальнейшим структурным изменениям. То же самое наблюдается для двух других структур. Тем не менее, для сравнения также показана полная структурная конфигурация при t = 160 пс. При свободных граничных условиях края графена взаимодействуют с атомами Ni. Однако для этой системы полное покрытие не может быть достигнуто, потому что процесс сильно зависит от размера нанокластера Ni. Лист графена легко изгибается, но, тем не менее, сильная ковалентная связь внутри плоскости делает края структуры (см. Рис. 2.4, при t = 160 пс) жесткими. Чтобы полностью обернуть Ni1192 дополнительно требуется внешнее воздействие (например, внешнее давление). 2.1.3 Плавление наночастицы на листе графена На рисунке 2.5а показан процесс плавления наночастиц Ni на плоскости графена в диапазоне температур 1000–3000 К с использованием периодических граничных условий. В то время как на рисунке 2.5б представлена конечная структура расплавленной наночастицы Ni на листе графена при свободных граничных условиях. Можно увидеть, что плавление начинается между 2000 и 2200 К, что может быть дополнительно подтверждено функцией радиального распределения. В случае графена со свободными краями атомы Ni взаимодействуют с плоскостью, поскольку графен со свободными краями может изгибаться и захватывать атомы Ni сразу после отсоединения от кристалла. В случае периодических граничных условий атомы Ni могут отделяться от поверхности наночастицы и двигаться без какой-либо связи с графеном. 19 В обоих случаях атомы Ni

распространяются по поверхности графена и занимают положение равновесия над центром углеродного шестиугольника (область, где он точно виден, показана красной рамкой на рисунке 2.5б). Связь атомов Ni с поверхностью графена приводит к изгибу графена, что также упоминалось в [28, с. 160-164]. Рисунок 2.5 − Процесс плавления наночастиц Ni на листе графена при использовании (а) периодических и (б) свободных граничных условий в проекциях yz. 2.2 Сравнение потенциалов межатомного взаимодействия Результаты, представленные в этом разделе были опубликованы в [5, с. 30-36]. В моделировании для описания различных систем очень огромную роль играют потенциалы межатомного взаимодействия. Опыт применения 20

потенциала Морзе показывает, что с его помощью можно успешно воспроизводить различные свойства материалов [16, с. 252-258; 37, с. 15-19]. Недавно были предложены параметры потенциала Морзе для системы никель-углерод, полученные методом ab-initio и демонстрирующие хорошее согласие с экспериментально полученными величинами [28, с. 160-164; 49, с. 16-20]. При этом параметры для потенциала Морзе, описывающие взаимодействие атомов никеля, описаны и апробированы достаточно давно [18, с. 687-690]. Также недавно были предложены параметры для расчета с помощью потенциала реактивных силовых полей ReaxFF (Reactive Force Field) [10, с. 43-52] на примере графеновых рулонов, заворачивающихся вокруг металлической наночастицы. Исследование применимости простых и сложных потенциалов для решения разного рода задач является важной задачей. Рассматриваются наночастицы Ni на плоскости графена с размерами листа 21×21 Å и 16×16 Å, как показано на рисунке 2.6. Структуры исследовались при постоянной температуре, чтобы проследить динамику взаимодействия наночастиц никеля с графеном при использовании разных потенциалов. Рисунок 2.6 − Исходная структура нанокластера Ni382 на поверхности графена с размером листа (а) 21×21 Å; (б) 16×16 Å. На рисунке 2.7 показаны итоговые структуры, полученные моделированием с потенциалом Морзе (в) и потенциалом ReaxFF (г) при t = 75 пс. Как описывается в литературе [16, с. 252-258; 28, с. 162], 21

взаимодействие между никелем и графеном достаточно сильное, в результате чего должно происходить притяжение наночастицы и листа графена. Однако, за то же время моделирования (t = 75 пс), использование модели с потенциалом Морзе приводит к полному объединению частицы Ni и листа графена, а в модели с ReaxFF никаких видимых изменений не происходит. При этом сама наночастица теряет дальний кристаллический порядок. Рисунок 2.7 − (а,в) Лист графена 21×21 Å; (б, г) 16×16 Å. Итоговые структуры: модель с потенциалом (в) Морзе и (г) ReaxFF при t = 75 пс. На рисунке 2.8 показаны структуры полученные с использованием потенциала ReaxFF в момент времени t = 1500 пс, когда происходит оборачивание малого графенового листа вокруг наночастицы, а также после t = 2500 пс, когда графен размером 21×21 Å также притягивается к наночастице одним своим краем. Анализ показал, что потенциал Морзе хорошо воспроизводит поведение таких систем, как никель-углерод. Следует отметить, что с потенциал ReaxFF дает тот же результат, что и потенциал Морзе, однако время моделирования этим потенциалом увеличивается во много раз. 22

Показано, что одиночные атомы никеля располагаются на листе графена в центре углеродных колец, а расстояние между наночастицей и графеном составляет около 2.2 Å, что близко к равновесному расстоянию между слоем графена и объемным слоем никеля [20, с. 153412]. Полученные данные находятся в согласии с известными из литературы. Рисунок 2.8 − Структуры, полученные в модели с потенциалом ReaxFF при (а,б) t = 1500 пс и (в) t = 2500 пс. (а, в) Лист графена 21×21 Å; (б) 16×16 Å. Обнаружено, что параметры потенциала Морзе, выбранные для моделирования никеля приводят к нарушению кристаллического порядка, а при использовании потенциала ReaxFF такого не происходит, что ставит вопрос о поиске более подходящих параметров потенциала Морзе для никеля. Полиморфы углерода интенсивно контактируют с металлическими наночастицами, что позволяет получать нанокомпозиты на месте с улучшенными свойствами. Более того, повышение температуры до уровня плавления не приведет к перемещению атомов Ni с поверхности графена или стенки нанотрубки: атомы Ni распространяются по оболочке графена/нанотрубки/фуллерена. Тем не менее, Ван-дер-Ваальсовы силы, 23

связывающие атомы Ni и поверхность полиморфа углерода, будут разрушаться при высоких температурах, что позволяет при необходимости удалять атомы Ni из углеродной структуры. Лист графена достаточно легко может обернуть наночастицы Ni любого размера. Это приведет к образованию так называемого графенникелевого композита. Ожидается, что такая сложная структура будет иметь улучшенные механические свойства. Графенометаллические композиты будут обладать различными физическими свойствами. Например, взаимодействие между графеном и никелем может вызвать изменения в структуре электронных зон графена, что неизбежно повлияет на перенос электронов в структуре. Композитная система будет демонстрировать улучшенные свойства, такие как высокая гравиметрическая плотность хранения водорода и низкая температура активации для выделения водорода [51, с. 15234]; может использоваться для накопления энергии [42, с. 15430]; и в практических применениях в химическом и биологическом обнаружении [31, с. 8995]. 24

3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА 3.1 Описание начальной структуры В работе исследуются механические свойства трех структур, состоящих из свернутых чешуек графена, заполненных наночастицами Ni21, Ni47 и Ni78. Единичный элемент трехмерной структуры - свернутая чешуйка графена получена из короткой углеродной нанотрубки удалением ряда атомов углерода в направлении ее оси и заполнена частицами никеля разного размера (Рис. 3.1а). Пример начальной трехмерной структуры в проекции на плоскость xy показан на рисунке 3.1б. Минимальное количество атомов никеля – 21 атом, наночастицы меньшего размера могут являться неустойчивыми кластерами. Наибольшее количество атомов никеля – 78, что является максимально возможным размером наночастицы, так, чтобы вся полость графеновой чешуйки была заполнена. В итоге диаметр частичек Ni21, Ni47 и Ni78 составил 5.5, 8.4 и 9.5 Å соответственно. Трехмерная структура создавалась повторением 4×4×4 структурных единиц вдоль направлений x, y и z соответственно. Чешуйки, заполненные наночастицами, были ориентированы в пространстве случайным образом. Во всех случаях использовались периодические граничные условия вдоль направлений x, y и z. Термостат Носе/Хувера применяется для поддержания температуры 300 К. Уравнения движения были интегрированы с использованием алгоритма Верле с шагом 10-15 с. Моделирование проводилось с использованием пакета LAMMPS с адаптированным эмпирическим потенциалом межмолекулярного взаимодействия AIREBO [45, с. 6472-6486]. Потенциал Морзе используется для описания взаимодействия между чешуйками и наночастицами никеля, а также для описания взаимодействия атомов никеля между собой, как было описано в разделе «Потенциалы межатомного взаимодействия». 25

Рисунок 3.1 − (а) Свернутый лист графена, заполненный наночастицами никеля разного размера; (б) начальный вид структуры графен-никель: чешуйки скомканного графена, заполненные наночастицами никеля Ni21. Светлым цветом показаны атомы углерода, темным – атомы никеля. Для того, чтобы сформировать композитный материал, к начальной (Рис. 3.1б), довольно рыхлой, структуре прикладывается гидростатическое сжатие до максимально возможных плотностей. В результате чего формируется композит графен-никель. Моделирование проводилось при температуре близкой к 0 К, а также при повышенных температурах 1000, 1500 и 2000 К. В процессе деформирования считываются все необходимые характеристики, например, размер частиц металла, размер и форма чешуек графена, рассчитываются напряжения в структуре. В качестве характеристики деформирования используется величина гидростатического давления p = (σxx + σyy + σzz)/3. К полученному после сжатия материалу прикладывается гидростатическое растяжение, чтобы определить был ли сформирован композит. 26

3.2 Получение композита 3.2.1 Гидростатическое давление На рисунке 3.2 показаны кривые давление-деформация для трех типов композита. Тип нанокомпозита определяется размером наночастиц никеля внутри графеновых чешуек, поэтому далее композит с частицами Ni21 будет обозначаться как Ni21; композит с частицами Ni47 будет обозначаться как Ni47; композит с частицами Ni78 будет обозначаться как Ni78. Рисунок 3.2 − Кривые давление-деформация для трех типов композита в разном масштабе: (а) полная кривая; (б) кривая от деформации 0,3, где началось взаимодействие чешуек. Как видно из рисунков 3.2а, до деформации 0.3 изменения напряжений практически не происходит, поскольку в начальной структуре довольно большие поры. На этом этапе напряжения в структуре были близки к 0. Следовательно, рассмотрение начального участка не имеет смысла и исследование свойств сформированной структуры следует начинать от деформации 0.3. На рисунке 3.2б показан график для диапазона деформаций 0.3-0.55. Далее все графики напряжение-деформация будут показаны исходя из подобной логики. 27

Рисунок 3.3 − Кривые зависимости напряжения от плотности 3,0, где началось взаимодействие чешуек. На рисунке 3.3 показаны кривые напряжение-плотность для трех типов композита. Было обнаружено, что взаимодействие структурных элементов начинается только при плотности ρ = 3.0 г/см3, когда они сближаются на расстояние, на котором начинают действовать силы Ван-дер-Ваальса. Такое заключение было сделано на основе изучения зависимости главных напряжений от плотности материала во всем интервале исследованных плотностей (от 1 до 8 г/cм3). Нужно отметить, что с увеличением количества атомов никеля в структуре плотность материала возрастает. Рисунок 3.4 − Структура трех типов композита после гидростатического сжатия. Светлым цветом показаны атомы углерода, темным – атомы никеля. 28

На рисунке 3.4 показаны итоговые структуры композита никель-графен в проекции на плоскость xy. Светлым цветом показаны атомы углерода, темным – атомы никеля. На рисунке 3.5 в качестве примера представлено изменение структуры композита с Ni47 в процессе сжатия при разной степени деформации. Рисунок 3.5 − Структура композита с Ni47 при сжатии. Светлым цветом показаны атомы углерода, темным – атомы частиц. 3.2.2. Гидростатическое давление при повышенных температурах Далее сжатие начальных структур проводили при температуре 1000 и 1500 К. Данные исследования проводились для того, чтобы обеспечить формирование наиболее прочного композита, поскольку повышение температуры приводит к активации появления новых связей между чешуйками графена. При повышении температуры взаимодействие между чешуйками графена начинается гораздо раньше, чем при нулевой температуре. Это объясняется тем, что чешуйки начинают вращаться вследствие тепловых колебаний, принимают иную форму, а также начинают активно появляться новые химические связи между отдельными чешуйками. Можно также отметить, что наибольшей степени деформации можно добиться при гидростатическом сжатии при температуре 1000 К. В целом температура положительно влияет на динамику формирования композитной структуры. 29

3.2.3. Гидростатическое давление с последующим отжигом Для того, чтобы сформировать прочный композитный материал к начальной сжатой структуре был приложен отжиг при 1000 К, что должно активировать возникновение новых химических связей между чешуйками графена, а также разрушить саму структуру чешуек. При этом температуры достаточно далеко от температуры плавления графена (около 5000 К). Кроме того, повышенные температуры позволит расплавить наночастицы никеля, температура плавления которых около 1360 К. Это приведет к тому, что атомы никеля будут более равномерно распределены в структуре композита. На рисунке 3.6 представлены начальные структуры, полученные гидростатическим сжатием при нулевой температуре до максимальных плотностей и структуры после отжига при 1000 К. Как видно из рисунков, отжиг положительно влияет на процесс формирования композита. При выдержке единичные элементы структуры начинают слабо колебаться, деформироваться и поры между единичными структурами исчезают. Рисунок 3.6 − Структуры с Ni21 (а), Ni47 (б) и Ni78 (в) до и после отжига при 1000 К в проекции на плоскость xy. Светлым цветом показаны атомы углерода, темным – атомы частиц. 30

4. ПРОЧНОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА Результаты, представленные в этой главе были опубликованы в [6, с. 531-542; 2930, с. 012064; 38, с. 012067; с. 39, 1-5]. 4.1 Структура после гидростатического сжатия при 0 К После того как было проведено сжатие исходной рыхлой структуры, состоящей из чешуек графена и наночастиц никеля, были исследованы их прочностные характеристики, что позволит установить был ли сформирован композитный материал в процессе сжатия. На рис. 4.1 показаны кривые давление-деформация при растяжении для трех композитов, сформированных при нулевой температуре. Рисунок 4.1 − Кривые давление-деформация для трех типов композита при растяжении после гидростатического сжатия при T = 0 K. Из сравнения кривых видно, что структура нормально деформируется до деформации 0.5, то есть все три структуры независимо от количества наночастиц Ni, выдерживают одинаковую деформацию. Из кривых видно, что простое сжатие структуры до очень высоких плотностей не приводит к 31

формированию композита: между чешуйками графена не возникают химические связи, чем и объясняется ход прямой при всестороннем растяжении. При нулевой температуре структурные элементы остаются разделенными, их спайки не происходит, а, следовательно, при растяжении очень быстро проявляются поры и материал трансформируется в такую же систему чешуек, заполненных частицами, что и в исходном состоянии. На рисунке 4.2 представлены структуры, полученные при разной степени деформации. С увеличением воздействия на материал наблюдаются появления многочисленных пор, которые очевидно являются дополнительное доказательство отсутствия химических связей между атомами соседних чешуек графена. Рисунок 4.2 − Структуры композита с (а) Ni21; (б) Ni66 и (в) Ni78 при растяжении для разных степеней деформации при 0 К. 32

На рисунке 4.3 сравниваются кривые давление-деформация для структур, полученных гидростатическим сжатием при 0 К и 1000 К в качестве примера. Нужно отметить, что только при растяжении материала в интервале температуры 1000 К наблюдается характерная для прочного композита кривая. Можно сделать вывод, что деформация структуры при температуре 1000 К приводит к появлению химических связей между отдельными единичными элементами структуры и за счет возникновения ковалентных связей повышаются прочностные свойства композита. Рисунок 4.3 − Кривые давление-деформация при растяжении для трех композитов, полученных при 0 и 1000 К. В данном исследовании обнаружено, что при температуре 0 К невозможно сформировать прочный композит. Температура плавления графена очень высока, что не позволяет сформировать ковалентные связи между отдельными элементами структуры, поэтому необходимо воздействовать на структуру при температуре выше 1000 К. Следовательно, для получения композита необходимо приложить либо последующий отжиг, 33

либо проводить деформирование при повышенных температурах. 4.2. Структура после сжатия с последующим отжигом На рисунке 4.4 показана зависимость напряжения от деформации при растяжении композита, полученного при 0 K (сплошные линии), а также отожженного при 1000 К (короткий пунктир) и 2000 K (длинный пунктир). Из графика видно, что при нулевой температуре получены нетипичные кривые напряжение-деформация. Как было показано ранее, при 0 К композитная структура не формируется, чешуйки остаются отдельными составными элементами, не образуя связей между собой. В случае, когда применялся отжиг, кривые имеют характерный вид: напряжения достигают максимума и затем постепенно понижаются, причем для 2000 К это выражено более явно. Рисунок 4.4 − Зависимость давления от деформации для всех трех структур при гидростатическом растяжении композита, полученного при 0 К, а также отжигом при 1000 К и 2000 К. 34

При повышенных температурах отжига происходит формирование единой композитной структуры, что особенно ярко выражено для композита Ni21 и Ni47, где перемешивание атомов углерода и никеля происходит легче вследствие малого размера наночастиц. В структуре с количеством атомов никеля 78 шуйка графена плотно облегает наночастицу никеля, мешая формированию смешанной никель-углеродной структуры. На рисунках 4.5 и 4.6 представлены структуры композита при разных степенях деформации растяжения после отжига при 1000 K. Как видно из рисунка 4.5, деформация структуры Ni21 прошла более равномерно, структурные элементы в основном перемешались, хотя растяжение приводит к довольно быстрому появлению пор в структуре (обведены красными кругами). В структуре Ni78 перемешивание элементов затруднено вследствие того, что наночастица никеля образует с графеном единое целое – графеновую капсулу, содержащую частицу металла. Температура в 1000 К является недостаточной, чтобы даже расплавить частицу никеля, тем более ее недостаточно для перемешивания атомов углерода и возникновения между соседними чешуйками химических связей. При этом такой температуры достаточно для того, чтобы вызвать плавление наночастицы из 21 атома и распространению атомов никеля в структуре. Из рисунка 4.6 видно, что при температуре 2000 К происходит еще лучшее перемешивание структурных элементов и отжиг приводит к желаемому результату – формированию композита. Даже в структуре с большими наночастицами никеля формирование пор происходит при гораздо больших степенях деформации, чем в отсутствии отжига. Поры в композите Ni78 гораздо меньше, а, следовательно, структура более равномерная. При температуре 1000 К разрушение происходит только в области между структурными элементами, а при 2000 К может происходить и в теле наночастицы, поскольку увеличение температуры привело к формированию химических связей между чешуйками графена, а не только между чешуйками и наночастицами никеля. 35

Рисунок 4.5 − Структура композита Ni21 (а) и Ni78 (б) в проекции на плоскость xy для нескольких степеней деформации после отжига при 1000 K. Рисунок 4.6 − Структура композита (а) Ni21 и (б) Ni78 в проекции на плоскость xy для нескольких степеней деформации при 2000 K. 36

4.3. Композит с наночастицами Ni47 В работы было выявлено, что для получения хорошего композита лучше выбирать небольшие наночастицы, которые будут лучше распределяться в структуре. Для структур с большими наночастицами (Ni 78) чешуйка графена полностью покрывает металлическую наночастицу, что приводит к гораздо большим трудностям в образовании химических связей между соседними чешуйками, чем для структуры с наименьшим числом наночастиц (Ni21). Небольшие наночастицы растекаются по смятым порам графена, что приводит к лучшему перемешиванию структурных элементов. Наночастица Ni47 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. Для дальнейшего исследования был выбран композит на основе наночастицы Ni47 посредством (1) отжига (T = 1000 K) с последующим гидростатическим сжатием при 300, 800, 1000 К; и (2) гидростатического сжатие при 1000; 1200; 1500; 2000 К; Чтобы оценить прочность полученного композита, следующим этапом проведено испытание материала на одноосное растяжение. На рисунке 4.7 представлены кривые давление-деформация при растяжении для структур, полученных разными методами обработки. Как видно из рисунков (Рис. 4.8) и кривых, повышение температуры хорошо влияет на процесс формирования композита никель-графен. Структуры выдерживают высокие значения приложенного давления при растяжении. При такой температуре начинают появляться новые прочные ковалентные связи между чешуйками графена. 37

Рисунок 4.7 − Зависимость давления от деформации для структур, полученных при разных условиях обработки. Анализ ближайших соседей показал, что вместе с повышением температуры растет и количество атомов углерода изменяющие свою гибридизацию с sp2 на sp3. Однако, таких атомов недостаточно, чтобы повлиять на прочность полученного материала. Как известно, температура плавления графена достаточно высока. Следовательно, для получения композита необходимо проводить деформирование при температурах выше 1500 К. 38

Рисунок 4.8 − Структура композита Ni47 в проекции на плоскость xy для нескольких степеней деформации в процессе растяжения, полученный гидростатическим сжатием при (а) 1000 К; (б) 1200; (в) 1500 К и отжигом (T = 1000 K) с последующим гидростатическим сжатием при (г) 300 К; (д) 800 К; (е) 1000 К. 39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Композиты механическими возможности на и для технологических основе графена физическими реализации обладают свойствами, новых привлекательными которые конструкционных процессов. Новые волокна, полимеры открывают решений и 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 40

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 механическими свойствами. 41 композитов с улучшенными

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 1. Баимова Ю.А., Мурзаев Р.Т., Дмитриев С.В. Механические свойства объемных углеродных материалов // ФТТ. – 2014. – Т. 56. – N 10. – С. 19461952. 2. Гривцов А.Г. Методика численных экспериментов и динамика микрогетерогенных систем. // М.:Наука, – 1987. – C. 91. 3. Комолкин А. В., Шеляпина М. Г. Метод молекулярной динамики: Учеб. метод. пособие – СПб.: Изд-во ХХХ – 2007. – 59 с. 4. Рысаева Л.Х., Баимова Ю.А., Лисовенко Д.С., и др. Упругие свойства фуллерита // ФПСМ. – 2016. – Т. 13. – N 1. – С. 105-109. 5. Сафина Л.Р., Баимова Ю.А. Выбор потенциала межатомного взаимодействия для моделирования системы никель-углерод // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2019. – Т. 16. – N 1. – C. 30-36. 6. Сафина Л.Р., Баимова Ю.А. Деформационное поведение композита графенникель, полученного при повышенных температурах // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2019. – Т. 25. – N 4. – C. 531542. 7. Скомканный" графен - идеальный материал для изготовления гибких суперконденсаторов. Электронный ресурс: https://www.dailytechinfo.org/nanotech/6360-skomkannyy-grafen-ideaыlnyymaterial-dlya-izgotovleniya-gibkih-superkondensatorov.html 8. Шефов К.С., Степанова М.М. Реализация алгоритма оптимизации параметров молекулярно-динамического потенциала Reaxff // Программные продукты и системы. – 2014. – №2. – С. 141–145. 9. Baimova J. A., Liu B., Dmitriev S.V., Zhou K. Mechanical properties of crumpled graphene under hydrostatic and uniaxial compression. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2015. – V.48. – No.9. – Pp.095302. 42

10. Bejagam, K. K., Singh, S., Deshmukh, S. A. Nanoparticle activated and directed assembly of graphene into a nanoscroll // Carbon, Elsevier BV. – 2018. – V. 134. – Pp. 43-52. 11. Brenner D.W., Shenderova O.A., Harrison J.A., Stuart S.J., Ni B., Sinnott S.B. A second generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons // Journal of Physics: Condensed Matter, IOP Publishing. – 2002. – V.14. – P. 783–802. 12. Erkoc S., Gunes B., Gunes, P. Molecular-dynamics simulations of nickel clusters // International Journal of Modern Physics C. – 2000. V. 11. – Pp. 1013-1024. 13. Foiles S. M., Baske, M. I., Daw M. S. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Physical Review B, American Physical Society (APS). – 1986. – V. 33. – Pp. 7983-7991. 14. Fukuhara S., Shimojo F., Shibuta, Y. Conformation and catalytic activity of nickelcarbon cluster for ethanol dissociation in carbon nanotube synthesis: Ab initio molecular dynamics simulation // Chemical Physics Letters. – 2017. – V. 679. – Pp. 164-171. 15. Gaboardi M., Bliersbach A., Bertoni G., Aramini M., Vlahopoulou G., Pontiroli D., Mauron P., Magnani G., Salviati G., Zuttel A., Ricco M. Decoration of graphene with nickel nanoparticles: study of the interaction with hydrogen // J. Mater. Chem. A, Royal Society of Chemistry (RSC). – 2014. – V. 2. – Pp.10391046. 16. Galashev A. Y., Katin K. P., Maslov, M. M. Morse parameters for the interaction of metals with graphene and silicene // Physics Letters A, Elsevier BV. – 2019. – V. 383. Pp. 252-258. 17. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene Nature Materials // Springer Nature. – 2007. – V. 6. – Pp. 183-191. 18. Girifalco L. A., Weizer V. G. Application of the Morse potential function to cubic metals // Physical Review. – 1959. – V. 114. – Pp. 687-690. 43

19. Gunes, B.; Erkoc, S. Melting and fragmentation of Ni nanopartiles: moleculardynamics simulation // International Journal of Modern Physics C. – 2000. – V. 11. – Pp. 1567-1580. 20. Hamada I., Otani M. Comparative van der Waals density-functional study of graphene on metal surfaces // Phys. Rev. B. – 2010. – V. 82. – Pp. 153412. 21. Henz B. J., Hawa T., Zachariah M. R. Molecular Dynamics Simulation of the Kinetic Reaction of Ni and Al Nanoparticles // Molecular Simulation. – 2009. – V. 35. – Pp. 804-811. 22. Hu, Z., Tong, G., Lin, D., Nian, Q., Shao, J., Hu, Y., Saeib, M., Jin, S., Cheng, G. J. Laser sintered graphene nickel nanocomposites // Journal of Materials Processing Technology, Elsevier BV. – 2016. V. 231. – Pp.143. 23. Huang H., Tang X., Chen F., Liu J., Sun X., Ji L. Radiation tolerance of nickelgraphene nanocomposite with disordered graphene // Journal of Nuclear Materials, Elsevier BV. – 2018. – V. 510. – Pp. 1-9. 24. Iijima, S., Ichihashi, T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter // Springer Nature. – 1993. – V. 363. – Pp. 603-605. 25. Ip, S., Sridhar, R., Toguri, J., Stephenson, T., Warner, A. Wettability of nickel coated graphite by aluminum // Materials Science and Engineering: A, Elsevier BV. – 1998. – V. 244. Pp. 31-38. 26. Ji L., Chen F., Huang H., Sun X., Yan Y., Tang X. Preparation of nickel-graphene composites by jet electrodeposition and the in uence of graphene oxide concentration on the morphologies and properties // Surface and Coatings Technology, Elsevier BV. – 2018. – V. 351. – Pp.212-219. 27. Jiang J., He X., Du J., Pang X., Yang H., Wei Z. In-situ fabrication of graphenenickel matrix composites // Materials Letters, Elsevier BV. – 2018. – V. 220. – Pp. 178-181. 28. Katin K. P.; Prudkovskiy V. S., Maslov M. M. Molecular dynamics simulation of nickel-coated graphene bending // Micro Nano Letters, Institution of Engineering and Technology (IET). – 2018. – V. 13. – Pp. 160-164. 44

29. Krylova K. A., Safina L. R. Hydrostatic compression as the way of property improvement of crumpled graphene: atomistic simulation // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – V. 1435. – Pp. 012064. 30. Krylova K.A., Baimova J.A., Mulyukov R.R. Effect of deformation on dehydrogenation mechanisms of crumpled graphene: molecular dynamics simulation. // Lett. Mater. – 2019. – No.1. – Pp.81-85. 31. Liu Y., Hu Y., Zhang J. Few-Layer Graphene-Encapsulated Metal Nanoparticles for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy // The Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society (ACS). – 2014. – V. 118. – Pp 8993-8998 32. Mahale N. K., Ladhe R. D., Attarde S. B., Ingle S. T. Synthesis and the Structural Transformation of fcc to hcp in Ni-Graphene Nanocomposite by Simple Chemical Route via Sonication // Journal of Nanoparticles, Hindawi Limited. – 2014. – V. 2014. – Pp. 1-7. 33. Neiva E. G., Souza V. H., Huang K., Penicaud A., Zarbin A. J. Graphene/nickel nanoparticles composites from graphenide solutions // Journal of Colloid and Interface Science, Elsevier BV. – 2015. V. 453. – Pp. 28-35. 34. Neto A. H., Guinea F., Peres N. M., Novoselov, K. S., Geim, A. K. The electronic properties of graphene // Reviews of Modern Physics, American Physical Society (APS). – 2009. – V.81. – Pp.109-162. 35. Neubauer E., Kitzmantel M., Hulman M., Angerer P. Potential and challenges of metal-matrix-composites reinforced with carbon nanobers and carbon nanotubes // Composites Science and Technology, Elsevier BV. – 2010. – V.70. – Pp. 22282236. 36. Novoselov, K. S. Electric Field Eect in Atomically Thin Carbon Films // Science American Association for the Advancement of Science (AAAS). – 2004 – V. 306. – Pp. 666-669. 37. Poletaev G.M., Sannikov A.V., Berdychenko A.A., Starostenkov M.D. Molecular dynamics study of plastic deformation mechanisms near the interphase boundary in two-dimensional bimetallic systems // Materials Physics and Mechanics. – 2015. – V.22. – Pp. 15-19. 45

38. Safina L. R., Krylova K. A. Effect of particle size on the formation of the composite structure in Ni-graphene system: atomistic simulation // Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – V. 1435. – Pp. 012067. 39. Safina L.R., Baimova J.A. Molecular dynamics simulation of fabrication of Nigraphene composite: temperature effect // Micro & Nano Letters. – 2019. – Pp. 15. 40. Safina L.R., Baimova J.A., Mulyukov R.R. Nickel nanoparticles inside carbon nanostructures: atomistic simulation // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. – 2019. – Pp. 1-11. 41. Savin A. V., Korznikova E. A., Lobzenko I. P., Baimova Y. A., Dmitriev S. V. Symmetric scrolled packings of multilayered carbon nanoribbons // Physics of the Solid State, Pleiades Publishing Ltd. – 2016. – V.58. – Pp. 1278-1284. 42. Shi Q., Cha Y., Song Y., Lee J-I., Zhu C., Li X., Song M-K., Du D., Lin Y. 3D graphene-based hybrid materials: synthesis and applications in energy storage and conversion. // Nanoscale R Soc Chem (RSC). – 2016. – V. 8. – Pp. 15414-15447. 43. Shibuta Y., Maruyama S. Bond-order potential for transition metal carbide cluster for the growth simulation of a single-walled carbon nanotube // Comp. Mater. Sci. – 2007. – V. 39. – Pp. 842-848. 44. Shiozawa H., Briones-Leon A., Domanov O., Zechner, G., Sato, Y., Suenaga, K., Saito, T., Eisterer, M., Weschke, E., Lang, W., Peterlik, H., Pichler, T. Nickel clusters embedded in carbon nanotubes as high performance magnets // Scientic Reports, Springer Nature. – 2015. – V. 5. – Pp.15033. 45. Stuart S.J., Tutein A.B., Harrison J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // J. Chem. Phys. – 2000. – V. 112. – Pp. 6472-6486. 46. Tang Z., Li X., Sun T., Shen S., Yang J. Porous crumpled graphene with hierarchical pore structure and high surface utilization efficiency for supercapacitor // Micropor. Mesopor. Mat. – 2018. – V.272. – Pp.40-43. 47. Verkhovtsev A.V., Schramm S., Solov'yov A.V. Molecular dynamics study of the stability of a carbon nanotube atop a catalytic na-noparticle // The European Physical Journal D. – 2014. – V. 68. – Pp. 246. 46

48. Yamaguchi Y., Maruyama S. A molecular dynamics study on the formation of metallofullerene // The European Physical Journal D. – 1999. – V. 9. – Pp. 385388. 49. Yan Y., Zhou S., Liu S. Atomistic simulation on nanomechanical response of indented graphene/nickel system // Computational Materials Science, Elsevier BV. – 2017. – V.130. – Pp. 16-20. 50. Zhang L., Zhang F., Yang X., Long G., Wu Y., et al. Porous 3D graphene-based bulk materials with exceptional high surface area and excellent conductivity for supercapacitors // Sci. Rep. – 2013. – V.3. – Pp.1408. 51. Zhou C., Szpunar J. A., Cui X. Synthesis of Ni/Graphene Nanocomposite for Hydrogen Storage // Applied Materials and Interfaces, American Chemical Society (ACS). – 2016. – V. 8. Pp. 15232-15241. 47

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Юлия Баимова

СПРАВКА о результатах проверки работы Сафиной Л.Р. на наличие заимствований. Проверка выполнена в системе Антиплагиат. ВУЗ.

больше 3 лет назад

Рецензия от Юлия Баимова

В последние годы большой интерес вызывают композиты на основе углеродных структур и наночастиц металлов, поскольку такие объекты могут обладать новыми уникальными свойствами. Одним из перспективных материалов в этом смысле является графен, заполненный наночастицами металлов. К настоящему только начался процесс его экспериментального получения и исследования, при этом взаимодействие скомканного ...

больше 3 лет назад

Рецензия от Лилия Сафина

Выпускная квалификационная работа Сафиной Лилии Ришатовны посвящена исследованию процесса формирования композита графен-никель и оценке механических свойств полученного материала. Содержание выпускной квалификационной работы соответствует необходимому уровню подготовленности студента по соответствующей специальности. Актуальность выбранной темы исследования заключается в необходимости получени...

больше 3 лет назад