ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, УПРОЧНЕННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
Аннотация
В работе методами численного моделирования изучены эффекты, связанные с улучшением механических характеристик нанокомпозитов на основе алюминия, упрочненных углеродными нанотрубками. Моделирование выполнено в рамках теории функционала электронной плотности с использованием базиса плоских волн, реализованного в программном пакете VASP. Для учета обменно-корреляционных взаимодействий применялся нелокальный ван-дер-ваальсовый функционал. Для моделирования композитов на основе алюминия с нанотрубками большого диаметра был рассмотрен предельный случай граница раздела вида графен/алюминий. Получены значения 4,3 мэВ/Å2 и 18,1 мэВ/Å2 для случая связывания графена с поверхностью алюминия (100) и (111), соответственно, которые по порядку сопоставимы с энергий ван-дер-ваальсового взаимодействия. Также получено, что значение сдвигового модуля для бездефектной системы графен/алюминий варьируется от 20 МПа до 70 МПа, в зависимости от типа поверхности и направления сдвига «кресло» или «зигзаг». Изучено влияние углеродных моновакансий на механические свойства композита. Для энергетически выгодных конфигураций композитов получены значения критического сдвигового напряжения порядка 1500-2000 МПа, в зависимости от местоположения дефекта, типа поверхности и направления сдвига. Определены значения энергий формирования данных дефектов. Наконец, в работе рассмотрены алюмоматричные композиты с внедренными углеродными нанотрубками малых диаметров. Показано, что с уменьшением размеров нанотрубки наблюдается искривление её поверхности и, как следствие, возникает увеличение энергии связывания на границе раздела с металлической матрицей. Рассчитанные при этом значения критического напряжения достигают значений порядка ~103 МПа.
Для цитирования:
Ларионов К.В., Сорокин П.Б. Исследование нанокомпозита на основе алюминия, упрочненного углеродными нанотрубками. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 11. С. 41-48. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.5y.
Литература
Esawi A.M.K., Morsi K., Sayed A., Taher M., Lanka S. Effect of Carbon Nanotube (CNT) Content on the Mechanical Properties of CNT-Reinforced Aluminium Composites. Compos. Sci. Technol. 2010. V. 70. P. 2237–2241. DOI: 10.1016/j.compscitech.2010.05.004.
Jorio A., Dresselhaus G. Carbon nanotubes: advanced topics in the synthesis, structure, properties and applications. Ed. by Mildred S. Dresselhaus. 2008. Berlin: Springer. V. 111. DOI: 10.1007/978-3-540-72865-8.
Golberg D., Bando Y., Huang Y., Terao T., Mitome M., Tang C., Zhi C. Boron Nitride Nanotubes and Nanosheets. ACS Nano. 2010. V. 4. P. 2979–2993. DOI: 10.1021/nn1006495.
Banhart F., Kotakoski J., Krasheninnikov A.V. Structural Defects in Graphene. ACS Nano. 2011. V. 5. P. 26–41. DOI: 10.1021/nn102598m.
Evdokimov I.A., Ovsyannikov D.A., Khairullin R.R., Perfilov S.A., Pozdnyakov A.A., Sukhorukov D.V., Lomakin R.L., Pakhomov I.V. Transport properties of nanostructured aluminum-matrix composite materials modified with carbon nanostructures. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 44–49. DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.4y.
Karaeva A.R., Lazareva E.S., Zhukova E.A., Urvanov S.A., Mordkovich V.Z. Carbon nanotubes synthesized from monohydric alcohols for reinforcement of polymers. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2017. V. 60. N 9. P. 17–22. DOI: 10.6060/tcct.2017609.5у.
Aloyev V.Z., Zhirikova Z.M., Tarchokova M.A. Effectiveness of use of nano fillers of different types in polymeric composites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 4. P. 81–85. DOI: 10.6060/ivkkt.20206304.6158.
Kresse G., Furthmüller J. Efficient Iterative Schemes for Ab Initio Total-Energy Calculations Using a Plane-Wave Basis Set. Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169–11186. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.11169.
Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of Ab-Initio Total Energy Calculations for Metals and Semiconductors Using a Plane-Wave Basis Set. Comput. Mater. Sci. 1996. V. 6. P. 15–50. DOI: 10.1016/0927-0256(96)00008-0.
Blöchl P.E. Projector Augmented-Wave Method. Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 17953–17979. DOI: 10.1103/PhysRevB.50.17953.
Dion M., Rydberg H., Schröder E., Langreth D.C., Lundqvist B.I. Van Der Waals Density Functional for General Geometries. Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. P. 246401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.246401.
Vanin M., Mortensen J.J., Kelkkanen A.K., Garcia-Lastra J.M., Thygesen K.S., Jacobsen K.W. Graphene on Metals: A van Der Waals Density Functional Study. Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 081408. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.081408.
Bakshi S.R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon Nanotube Reinforced Metal Matrix Composites - a Review. Int. Mater. Rev. 2010. V. 55. P. 41–64. DOI: 10.1179/095066009X 12572530170543.
McCarthy B., Coleman J.N., Czerw R., Dalton A.B., in het Panhuis M., Maiti A., Drury A., Bernier P., Nagy J.B., Lahr B., Byrne J., Carroll D.L., Blau W.J. A Microscopic and Spectroscopic Study of Interactions between Car-bon Nanotubes and a Conjugated Polymer. J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. P. 2210–2216. DOI: 10.1021/jp013745f.
El-Barbary A.A., Telling R.H., Ewels C.P., Heggie M.I., Briddon P.R. Structure and Energetics of the Vacancy in Graphite. Phys. Rev. B. 2003. V. 68. P. 144107. DOI: 10.1103/PhysRevB.68.144107.
Ma Y., Lehtinen P.O., Foster A.S., Nieminen R.M. Mag-netic Properties of Vacancies in Graphene and Single-Walled Carbon Nanotubes. New J. Phys. 2004. V. 6. P. 68. DOI: 10.1088/1367-2630/6/1/068.
Krasheninnikov A.V., Berseneva N., Kvashnin D.G., Enkovaara J., Björkman T., Sorokin P., Shtansky D., Nieminen R.M., Golberg D. Toward Stronger Al–BN Nanotube Composite Materials: Insights into Bonding at the Al/BN Interface from First-Principles Calculations. J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. P. 26894–26901. DOI: 10.1021/jp509505j.
Gillan M.J. Calculation of the Vacancy Formation Energy in Aluminium. J. Phys. Condens. Matter. 1989. V. 1. P. 689-711. DOI: 10.1088/0953-8984/1/4/005.
Cun H., Iannuzzi M., Hemmi A., Osterwalder J., Greber T. Two-Nanometer Voids in Single-Layer Hexagonal Boron Nitride: Formation via the “Can-Opener” Effect and Annihi-lation by Self-Healing. ACS Nano. 2014. V. 8. P. 7423–7431. DOI: 10.1021/nn502645w.
Standop S., Lehtinen O., Herbig C., Lewes-Malandrakis G., Craes F., Kotakoski J., Michely T., Krasheninnikov A.V., Busse C. Ion Impacts on Graphene/Ir(111): Interface Channeling, Vacancy Funnels, and a Nanomesh. Nano Lett. 2013. V. 13. P. 1948–1955. DOI: 10.1021/nl304659n.
Sammalkorpi M., Krasheninnikov A.V., Kuronen A., Nordlund K., Kaski K. Irradiation-Induced Stiffening of Carbon Nanotube Bundles. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At. 2005. V. 228. P. 142–145. DOI: 10.1016/j.nimb.2004.10.036.
