RU2623410C2 - Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов - Google Patents

Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов Download PDF

Info

Publication number
RU2623410C2
RU2623410C2 RU2015130107A RU2015130107A RU2623410C2 RU 2623410 C2 RU2623410 C2 RU 2623410C2 RU 2015130107 A RU2015130107 A RU 2015130107A RU 2015130107 A RU2015130107 A RU 2015130107A RU 2623410 C2 RU2623410 C2 RU 2623410C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
graphene
magnesium
metal
carbon
Prior art date
Application number
RU2015130107A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015130107A (ru
Inventor
Людмила Августовна Елшина
Роман Викторович Мурадымов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority to RU2015130107A priority Critical patent/RU2623410C2/ru
Publication of RU2015130107A publication Critical patent/RU2015130107A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2623410C2 publication Critical patent/RU2623410C2/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0095Manufacture or treatments or nanostructures not provided for in groups B82B3/0009 - B82B3/009
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00Structure or properties of graphene
    • C01B2204/20Graphene characterized by its properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано в авиационной, космической и электротехнической промышленности. Алюминий, магний или алюмо-магниевый сплав, содержащий, мас.%: алюминий 99,9-0,1; магний 0,1-99,9, расплавляют в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, содержащем 0,1 - 20 мас.% углеродсодержащей добавки из ряда, включающего карбиды металлов или неметаллов либо твердые органические вещества, такие как углеводороды, углеводы, карбоновые кислоты, в течение 1-5 ч при температуре 700-750°C. Затем медленно охлаждают со скоростью не более 1 град/мин. Изобретение обеспечивает снижение температуры процесса. Полученный металл-графеновый нанокомпозит имеет пониженную плотность и повышенные твердость, прочность, модуль эластичности и относительное удлинение. 6 ил., 3 пр.

Description

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению металл-графеновых нанокомпозиционных материалов с улучшенной структурой и физическими свойствами, отвечающим требованиям авиакосмической промышленности, которые могут найти применение в авиационной, космической и электротехнической промышленности.
Потребность в металлических композитах с высоким содержанием нано- и микрочастиц углерода высока. Создание новых сплавов и композиционных материалов на основе алюминиевой или магниевой, матрицы с пониженной плотностью и повышенной твердостью является одной из самых серьезных задач современного материаловедения. В этом направлении перспективно создание новых композитов с высоким содержанием графена.
Исследования взаимодействия алюминия и магния с углеродом проводили экспериментально и методами математического моделирования (Palm М., Inden G. Phase Equilibria in the Fe-Al-C System, Intermetallics, 1995, 3 (6), p 443-454 [1],
Figure 00000001
J., Lukas H.L., Aldinger F. Thermodynamic calculation of the ternary Al-Si-C, Calphad, 20 (1996) 247-254) [2].
По данным Шранка Anderko К., Shrunk F.A. Constitution of Binary Alloys, Suppl.2, McGraw-Hill, NY, ISBN: 9970034375, 1969) [3], растворимость углерода в жидком алюминии составляет около 0.03 ат.%. Углерод (графит) не смачивается жидким алюминием и магнием до температуры 1373 К, что делает его самым широко используемым материалом анодов при электролизе алюминия, например. Поэтому синтез алюминиевого либо магниевого композита, содержащего углерод в содержаниях выше равновесных, представляется чрезвычайно сложной задачей.
Металлокомпозитный алюминий-углеродный материал, как правило, производят прессованием, точнее «вдавливанием» алюминия в волокнистые углеродные матрицы (Yanmei L., Ziyang X., Gaohui W., Longtao J., et al. Microstructure Evolution of Ti-Al-C System Composite. Rare Metal Materials and Engineering, 2010, 39 (7) 1152-1156) [4], или пропиткой углеродных волокон жидким металлом (Naplocha К., Granat К. Dry sliding wear of Al/Saffil/C hybrid metal matrix composites. Wear 265 (2008) 1734-1740) [5]. Причем, для улучшения смачиваемости углеродных волокон и частиц в расплавленной алюминиевой матрице их покрывают тонкими слоями меди, никеля, серебра толщиной 0.4-1 мкм (А.А. Заболоцкий, С.Е. Салибеков. Создание Al-С композитных материалов. Металловедение и термическая обработка металлов 10 (1978) 49-52) [6], «смешением в расплаве» частиц, усов или коротких волокон углерода (до 50 мас.%) с расплавом алюминия с последующим формованием деталей по стандартной технологии литья (Корягин С.И., Пименов И.В., Худяков В.К. Способы обработки материалов: Учебное пособие / Калинингр. ун-т - Калининград, 2000. - 448 с.) [7].
Из-за разницы в плотности смешиваемых в расплаве материалов и плохой смачиваемости углерода расплавленным алюминием, всеми этими способами трудно получить однородный композиционный материал, поэтому алюминий-углеродные композиционные материалы, получаемые по этим способам, имеют низкие эксплуатационные и технологические характеристики. Волокнистые одноосные композиционные материалы характеризуются анизотропией механических свойств вдоль и поперек волокон, и, как следствие, низким сопротивлением межслойному сдвигу и поперечному обрыву.
Методом порошковой металлургии могут быть получены материалы со степенями армирования до 50% (Robles Hernandez F.C., Calderon Н.А. Nanostructured Al/Al4C3 composites reinforced with graphite or fullerene and manufactured by mechanical milling and spark plasma sintering [8], Materials Chemistry and Physics 132 (2012) 815-822.
Figure 00000002
A., Gallegos-Orozco V., Estrada-Guel I.,
Figure 00000003
L. et al. ТЕМ characterization of Al-C-Cu-Al2O3 composites produced by mechanical milling. Journal of Alloys and Compounds 434-435 (2007) 514-517) [9]. Обычно степень армирования алюминия углеродом не превышает 25%, поскольку при дальнейшем увеличении содержания углерода в алюминии снижается вязкость разрушения образующегося алюминий-углеродного композитного материала. Получаемые методами порошковой металлургии алюминий-углеродные композиты с содержанием углерода до 25 мас.% отличаются высокой пористостью и плохой спекаемостью вследствие образования слоя оксида алюминия на поверхности частиц алюминиевого порошка.
В качестве альтернативных высокоэнергетических методов создания алюминий-углеродных композитных материалов необходимо назвать имплантацию ионов углерода в алюминиевую мишень (Uglov V.V., Cherenda N.N., Danilyuk A.L., Rauschenbach В. Structural and phase composition changes in aluminium induced by carbon implantation. Surface and Coatings Technology 128-129 (2000) 358-363 [10], Szcancoski J.C., Foerster C.E., Serbena F.C., Fitz Т.,
Figure 00000004
U., Richter E. et al. Mechanical and tribological properties of carbon and nitrogen consecutive ion implantation into aluminium. Surface & Coatings Technology 201 (2006) 1488-1494 [11], Baba K., Hatada R., Flege S., Kraft G., Ensinger W. Plasma-based carbon ion implantation of aluminium at different process times in a pulse-ignited methane plasma. Surface & Coatings Technology 203 (2009) 2617-2619) [12], при которой на глубину порядка 150 нм внедряется углерод с образованием карбида алюминия, а также тщательное перемешивание (ball-milling) наночастиц углерода, а также углеродных нанотрубок с наночастицами алюминия с образованием алюминий-углеродного композита, содержащего до 50% углерода (So К.P., Kim Е.S., Biswas Ch., Jeong H.Y., Keum D.H., An К.H., Lee Y.H. Low-temperature solid-state dissolution of carbon atoms into aluminum nanoparticles. Scripta Materialia 66 (2012) 21-24 [13],
Figure 00000005
R.,
Figure 00000006
F., Estrada-Guel I.,
Figure 00000007
C.R., Matutes-Aquino J.A.,
Figure 00000008
J.M. Characterization of Al2024-CNTs composites produced by mechanical alloying, Powder Technology 212 (2011) 390-396) [14], либо сочетание вышеприведенных приемов синтеза (Morsi К., Esawi А.М.К., Borah P., Lanka S., Sayed A., Taher M. Properties of single and dual matrix aluminum-carbon nanotube composites processed via spark plasma extrusion (SPE). Materials Science and Engineering A 527 (2010) 5686-5690) [15].
В последние несколько лет опубликовано значительное количество работ по синтезу и механическим свойствам алюминий-графенового композита (Wang J., Li Zh., Fan G., Pan H., Chen Zh., Zhang Di. Reinforcement with graphene nanosheets in aluminum matrix composites, Scripta Materialia 66 (2012) 594-597 [16], Bastwros M., Kim G.-Y., Zhu C., Zhang K., Wang Sh., Tang X., Wang X. Effect of ball milling on graphene reinforced Al6061 composite fabricated by semi-solid sintering, Composites: Part В 60 (2014) 111-118 [17], Rashad M., Pan F., Tang A., Asif M. Effect of Graphene Nanoplatelets addition on mechanical properties of pure aluminum using a semi-powder method, Progress in Natural Science: Materials International 24 (2014) 101-108 [18], M. Fattahi, A.R. Gholami, A. Eynalvandpour, E. Ahmadi, Y. Fattahi, S. Akhavan, Improved microstructure and mechanical properties in gas tungsten arc welded aluminum joints by using graphene nanosheets/aluminum composite filler wires, Micron 64 (2014) 20-27 [19],
Figure 00000009
R.,
Figure 00000010
D.,
Figure 00000011
J., Estrada-Guel I.,
Figure 00000012
R. Microstructural and hardness behavior of graphene-nanoplatelets/aluminum composites synthesized by mechanical alloying, Journal of Alloys and Compounds 615 (2014) S578-S582 [20], Li J.L., Xiong Y.C., Wang X.D., Yan S.J., Yang C., He W.W. et al. Microstructure and tensile properties of bulk nanostructured aluminum/graphene composites prepared via cryomilling, Materials Science & Engineering A 626 (2015) 400-405 [21], Bartolucci S.F., Paras J., Rafiee M.A., Rafiee J., Lee S., Kapoor D., Koratkar N. Graphene-aluminum nanocomposites, Materials Science and Engineering A 528 (2011) 7933-7937) [22].
В основном, так же, как и в случае использования в качестве упрочняющей добавки углеродных нанотрубок, процессы синтеза сводятся к перемолу и последующему отжигу предварительно синтезированного графена или оксида графена с алюминиевым порошком. Упрочняющее влияние графена на алюминиевый композит практически все исследователи связывают с образованием рентгенографически подтвержденной фазы -карбида алюминия. Однако даже малые добавки карбида алюминия разрушительно действуют на алюминий-графеновый композит в агрессивных средах и даже в условиях атмосферной коррозии, вызывая неоднородную питтинговую коррозию, исключая таким образом возможность практического использования полученных этим способом алюминий-графеновых композитов.
Магний - один из самых легких элементов, имеющих высокую твердость, поэтому синтез магний-графеновых металлических нанокомпозитов становится привлекательной задачей. Единственным методом синтеза магний-графеновых композитов является метод, основанный на порошковой металлургии (Rashad М., Pan F., Tang A., Asif М., Aamir М. Synergetic effect of graphene nanoplatelets (GNPs) and multi-walled carbon nanotube (MW-CNTs) on mechanical properties of pure magnesium. Journal of Alloys and Compounds 603 (2014) 111-118) [23]. Сущность этого метода заключается в тщательном перемешивании нанопорошка магния со взвесью графена в органическом растворителе с 1% алюминия для лучшей смачиваемости магниевого порошка. Композитную смесь перемешивают в течение часа с использованием механической мешалки при скорости 2000 оборотов в минуту. После этого композитную смесь фильтруют и сушат в вакууме при 80°C в течение 12 ч, чтобы получить Mg-1AL-0.6% графеновый композитный порошок.
Композитные порошки прессуют в таблетки при давлении 600 МПа с использованием гидравлического пресса. Брикеты погружают в графитовый порошок и спекают в камерной печи при 630°C в течение 2 ч в атмосфере аргона. Спеченные прессовки предварительно нагревают до 350°C в течение 1 ч и экструдируют при скорости экструзии равной 1 м/мин.
Данным методом были получены беспористые магний-графеновые композиты, но равномерного распределения графена в матрице магния добиться не удалось. Все стадии синтеза проводились в атмосфере аргона (кроме стадии фильтрования и сушки, которые проводились под вакуумом), что значительно усложняет процесс синтеза магний-графеновых композитов. Для получения магний-графенового композита графен использовался в качестве прекурсора, что значительно повышает стоимость синтеза магний-графеновых композиционных материалов. Использование алюминий-магниевых и магний-алюминиевых сплавов для создания композитных материалов с графеном крайне перспективно, т.к. позволяет более тонко регулировать плотность, электро- и теплопроводность, а также коррозионные свойства композитных металлических материалов. Не существует надежных и производительных методов синтеза алюминий-углеродных композитов с высоким содержанием и равномерным распределения углерода в виде графена в алюминиевой матрице, при которых в качестве побочного продукта не образовывался бы карбид алюминия, который даже в примесных количествах крайне негативно сказывается на коррозионных свойствах получаемого металлического материала. Возможность получения алюмомагний-графеновых композитных материалов показана только при концентрации 1% алюминия методом, описанным в (Rashad М., Pan F., Tang A., Asif М., Aamir М. Synergetic effect of graphene nanoplatelets (GNPs) and multi-walled carbon nanotube (MW-CNTs) on mechanical properties of pure magnesium. Journal of Alloys and Compounds 603 (2014) 111-118) [24].
Таким образом, можно заключить, что в настоящее время не существует надежных и производительных методов синтеза металл-графеновых композитов, с помощью которых можно получить беспористый металл-графеновый композит с равномерным распределением графена в матрице при проведении всех стадий синтеза в атмосфере воздуха.
Задачей настоящего исследования является создание надежных и производительных методов синтеза металл-графеновых нанокомпозиционных материалов с высоким содержанием графена.
Для решения поставленной задачи предложен способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов, в котором алюминий, магний или алюмомагниевый сплав расплавляют в расплаве галогенидов щелочных металлов, содержащем от 0.1 до 20 мас.% углеродсодержащей добавки в течение 1-5 ч. при температуре 700-750°C с дальнейшим медленным охлаждением со скоростью не более 1 град/мин, при этом в качестве углеродсодержащей добавки используют карбиды металлов или неметаллов или твердых органических веществ, относящихся к классам углеводородов, или углеводов или карбоновых кислот.
Заявляемый способ получения металл-графенового композиционного материала основан на прямом химическом взаимодействии иона углерода с расплавленным алюминием, магнием или алюмомагниевым сплавом, например, по реакции
Figure 00000013
либо
Figure 00000014
в среде солевого хлоридного и/или галогенидного расплава в температурном интервале 700-750°C. В результате в расплавленной металлической, например, алюминиевой, магниевой, алюмомагниевой матрицах проходит синтез атомов углерода в одну стадию непосредственно в расплавленном металле, которые затем в процессе самоорганизации образуют при застывании слои графена. Причем, содержание графена является постоянной величиной, неизменной от поверхности застывшей металлической капли до ее центральной части. Процесс синтеза графена происходит непосредственно в металле из дешевых неорганических и органических прекурсоров, без необходимости отдельной стадии синтеза и выделения графена. Это существенно снижает трудоемкость получения металлических композитов с высоким содержанием равномерно распределенных пленок графена площадью до 1000 мкм. Получаемые при химическом взаимодействии компонентов солевого плава с расплавленным металлом композиты могут быть затем вторично переплавлены для литья в формы без потери исходных свойств полученного композиционного материала.
Заявленный способ может быть осуществлен без специальной инертной атмосферы, в атмосфере воздуха, т.к. его можно реализовать следующим образом. Порошок карбида либо твердого органического вещества смешать с сухой солевой смесью, поверх углеродсодержащей солевой смеси поместить алюминий или магний или алюмомагниевый сплав, засыпать его слоем солей, что позволит после расплавления избежать окисления поверхности металла или сплава кислородом воздуха. После расплавления соли и металла произойдет взаимодействие карбида с алюминием по вышеприведенной реакции (1), либо магнием по реакции (2). В случае использования, например, алюмомагниевого сплава взаимодействие в первую очередь происходит с магнием по реакции (2), как более активным металлом, и только после полного взаимодействия всего магния может начаться взаимодействие ионов углерода с расплавленным алюминием по реакции (1), что несколько уменьшает содержание магния в алюмомагний-графеновом композите по отношению с исходным алюмомагниевым сплавом, который использовался в качестве прекурсора.
При этом в ходе высокотемпературного взаимодействия расплавленного металла или его сплава с углеродными ионами происходит выделение атомов углерода, которые в ходе взаимодействия равномерно распределяются по объему расплавленного металла. При медленном, не более 0.1 град/мин, застывании, атомы углерода образуют сначала углеродные кластеры, а затем и пленки графена значительной площади. Содержание графеновых пленок в синтезированном материале, а также их размер могут варьироваться количеством и видом карбидов металлов или неметаллов. Однако следует заметить, что среднее содержание графена в каждом слое металла после охлаждения и послойного анализа является величиной постоянной, не меняющейся в зависимости от глубины исследуемого слоя. Как правило, листы графена образуются в плоскости, параллельной горизонтальной поверхности.
Нижний предел температурного интервала получения металл-графенового композиционного материала - 700°C определен исходя из температуры плавления алюминия (662°C) и магния (658°C), а также температуры плавления хлоридно-фторидного электролита с тем, чтобы весь объем солевого электролита, а также металлов и сплавов был расплавлен в ходе эксперимента. При повышении температуры выше 750°C наблюдается значительный солеунос образующегося при взаимодействии по реакции (1) трихлорида алюминия или дихдлроида магния по реакции (2), что ухудшает экологичность и технологичность процесса. Кроме того, повышение температуры взаимодействия нежелательно из-за повышения риска образования карбидов соответствующих металлов.
Таким образом, температура плавления металлов и солевых электролитов определяет оптимальный температурный диапазон синтеза металл-графеновых композитов.
Время процесса высокотемпературного взаимодействия выбирается исходя из невысокой скорости взаимодействия углеродсодержащих компонентов расплава с жидкими металлами с целью более глубокого взаимодействия, позволяющего достигать более высоких концентраций атомов углерода в жидких металлах. Более критичным является время застывания расплавленного металла, т.к. именно в процессе крайне медленного застывания металла атомы углерода в металлической матрице объединяются в графеновые пленки площадью до 1000 мкм2. Чем выше концентрация атомов углерода, достигнутая при высокотемпературном взаимодействии расплавленных металлов с углеродсодержащими прекурсорами, а также температура высокотемпературного синтеза, тем больше времени требуется для формирования слоев графена при постепенном охлаждении. Скорость охлаждения не должна превышать 1 град/мин, т.к. при более высоких скоростях охлаждения застывание металлической капли происходит быстрее и в результате синтеза внутри металла или сплава может быть образован не графен, а другие аллотропные модификации углерода - графит, алмаз, лонсдейлит. В зависимости от содержания углерода и температуры синтеза охлаждение занимает от 8 до 20 ч.
Углеродсодержащая добавка в заявленном способе является источником атомарного углерода, который при его пересыщении в металле и дальнейшем охлаждении образует в металлической матрице листы графена. В качестве углеродсодержащей добавки используют карбиды металлов или неметаллов или твердых органических веществ, относящихся к классам углеводородов, или углеводов или карбоновых кислот. Это могут быть предельные углеводороды - парафины или церезины с общей формулой С10 и выше, двухосновные карбоновые кислоты - щавелевая кислота, янтарная кислота, гидроксикислоты - винная кислота, молочная кислота, яблочная кислота, лимонная кислота, хинная кислота - продукты частичного окисления сахаров, углеводы - глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза, а также полисахариды, такие как крахмал и ряд других в виде порошков с размером частиц до от 0.5 до 200 мкм. Концентрация углеродсодержащей добавки составляет от 0.1 до 10 мас.%, относительно массы солевой навески, а ее размер зависит от вида. Не было зафиксировано существенных отличий в условиях синтеза алмазов при использовании различных прекурсоров, относящихся к одному классу органических или неорганических веществ.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении однородного металлического нанокомпозиционного материала с пониженной плотностью и повышенными твердостью, прочностью, модулем эластичности и относительным удлинением при разрыве.
Заявленное изобретение иллюстрируется следующим. На фиг. 1 представлено SEM-изображение поперечного шлифа алюминий-графенового композиционного материала, полученного при химическом взаимодействии алюминиевого расплава с карбидом кремния при температуре 750°C, содержащего 10.9 мас.% графена; на фиг. 2 - спектр композиционного рассеяния графенового включения обозначенного композиционного материла. На фиг. 3 представлено SEM-изображение поперечного шлифа алюмомагниево-графенового композита, полученного при взаимодействии алюминий-магниевого сплава АМГ6 с порошкообразным карбидом титана при температуре 750°C, содержащего 5.2 мас.% графена; на фиг. 4 - спектр комбинационного рассеяния графенового включения вышеуказанного композиционного материала. На фиг. 5 представлено SEM-изображение поперечного шлифа магний-графенового композиционного материла, полученного при взаимодействии магниевого расплава с парафином при 700°C, содержащего 2.1 мас.% графена; на фиг. 6 - спектр комбинационного рассеяния графенового включения обозначенного композиционного материала;
Пример 1.
В печь вертикального нагрева поместили алундовый тигель, на дно тигеля помещали 40 г сухой смеси хлоридов лития, натрия, калия, цезия с фторидом алюминия, содержащей 0.2 г порошка карбида кремния. Поверх карбидсодержащей солевой смеси помещали алюминиевый диск чистотой А999, на который насыпали 10 г той же мелкораздробленной смеси хлоридов и фторида. После чего печь нагревали до температуры 750°C и выдерживали в атмосфере воздуха в течение 5 ч. При этом карбид-ион перешел в алюминиевый расплав с образованием атомов углерода. После окончания основной реакции алундовый тигель с расплавленными металлом и солью помещали в печь с контролируемой скоростью охлаждения 1 град/мин для образования слоев графена из атомов углерода. После чего солевую смесь растворяли и выделяли королек алюминий-графенового композита. Изображение поперечного шлифа алюминий-графенового композитного материала представлено на фиг. 1. Данные спектроскопии комбинационного рассеяния, представленные на фиг. 2, свидетельствуют об образовании трехслойной пленки графена без признаков образования карбида алюминия, которому на спектре соответствовал бы пик на 850 см-1.
Пример 2.
В печь вертикального нагрева поместили алундовый тигель, на дно тигеля помещали 40 г сухой смеси хлоридов кальция, натрия, бария с фторидом натрия, содержащей 5 г порошка карбида титана. Поверх карбидсодержащей солевой смеси помещали диск из сплава АМГ6, на который насыпали 10 г той же мелкораздробленной смеси. После чего печь нагревали до температуры 750°C и выдерживали в атмосфере воздуха в течение 2 ч. При этом карбид-ион перешел в алюмомагниевый расплав с образованием атомов углерода. Дальнейшее остывание алюмомагниевого композита осуществлялось внутри выключенной печи со скоростью 0.6 град/мин. При этом внутри сплава сформировались слои графена. Изображение поперечного шлифа алюмомагниевого-графенового композитного материала представлено на фиг. 3. Данные спектроскопии комбинационного рассеяния, представленные на фиг. 4, свидетельствуют об образовании пленки графена.
Содержание магния в композите понижается с 6 мас.% в исходном сплаве АМГ6 до 3.2 мас.%.
Пример 3.
В печь вертикального нагрева поместили алундовый тигель, на дно тигля помещали 40 г сухой смеси хлоридов лития, натрия, калия и цезия с фторидом калия, содержащей 15 г парафина. Поверх углеродсодержащей солевой смеси помещали магниевую крупку чистотой 99.9%, на которую насыпали 10 г той же мелкораздробленной смеси. После чего печь нагревали до температуры 700°C и выдерживали в атмосфере воздуха в течение 1 ч. При этом ионы углерода перешли в магниевый расплав с образованием атомов углерода, которые при медленном застывании со скоростью 0.8 град/мин образовали слои графена внутри магниевой матрицы. Изображение поперечного шлифа магний-углеродного композиционного материала представлено на фиг. 5. Данные спектроскопии комбинационного рассеяния, представленные на фиг. 4, свидетельствуют об образовании пленки графена.
При химическом взаимодействии солевого плава, содержащего карбиды металлов или неметаллов или твердые органические соединения, с расплавленным металлом или его сплавами могут быть получены дисперсионно упрочненные нанокомпозиционные материалы с массовым содержанием графена от 0.1 до 11% с размером графеновых пленок до 1000 мкм2 в зависимости от температуры высокотемпературного процесса, концентрации и вида углеродной добавки и режимов охлаждения
Таким образом, заявленный способ позволяет получать нанокомпозиционные металл-графеновые материалы с высоким содержанием графена, со средним размером пленок 40×50 мкм, равномерно распределенных по объему металлического композита, с улучшенной структурой и физическими свойствами, без образования нежелательного продукта - карбидов соответствующих металлов. При этом способ характеризуется повышением экологичности, снижением трудоемкости, а также в удешевлении, поскольку его осуществляют без необходимости отдельного синтеза графена и нанопорошков высокореакционных металлов.

Claims (1)

  1. Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов, отличающийся тем, что алюминий, магний или алюмомагниевый сплав с содержанием от 99,9 до 0,1 мас.% алюминия и от 0,1 до 99,9 мас.% магния расплавляют в расплаве галогенидов щелочных металлов, содержащем 0,1-20 мас.% углеродсодержащей добавки, в течение 1-5 ч при температуре 700-750°C с дальнейшим медленным охлаждением со скоростью не более 1 град/мин, при этом используют углеродсодержащую добавку из ряда, включающего карбиды металлов или неметаллов или твердые органические вещества, такие как углеводороды, или углеводы, или карбоновые кислоты.
RU2015130107A 2015-07-20 2015-07-20 Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов RU2623410C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015130107A RU2623410C2 (ru) 2015-07-20 2015-07-20 Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015130107A RU2623410C2 (ru) 2015-07-20 2015-07-20 Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015130107A RU2015130107A (ru) 2017-01-25
RU2623410C2 true RU2623410C2 (ru) 2017-06-26

Family

ID=58450690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015130107A RU2623410C2 (ru) 2015-07-20 2015-07-20 Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2623410C2 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2706652C1 (ru) * 2018-11-01 2019-11-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Способ получения композитных наноструктурированных порошков на основе графена и оксидов Al, Ce и Zr
RU2710965C1 (ru) * 2019-04-15 2020-01-14 Вячеслав Элизбарович Иванов Многорежимный аэрологический комплекс
WO2020076188A1 (en) 2018-10-11 2020-04-16 Joint Stock Company "Irkutsk Electronetwork Company" (Jsc "Ienk") Aluminum-ion battery
RU2760896C1 (ru) * 2020-12-03 2021-12-01 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента" - АО "ВНИИАЛМАЗ" Способ изготовления теплопроводного композиционного материала из порошков алюминия или его сплава с графеновым покрытием
RU2772480C1 (ru) * 2022-02-01 2022-05-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Композиционный материал и способ его изготовления

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120324703A1 (en) * 2009-11-06 2012-12-27 The Boeing Company Graphene nanoplatelet metal matrix
RU2519403C2 (ru) * 2008-08-08 2014-06-10 Эксонмобил Кемикэл Пейтентс Инк. Графитсодержащие нанокомпозиты

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2519403C2 (ru) * 2008-08-08 2014-06-10 Эксонмобил Кемикэл Пейтентс Инк. Графитсодержащие нанокомпозиты
US20120324703A1 (en) * 2009-11-06 2012-12-27 The Boeing Company Graphene nanoplatelet metal matrix

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
I.A.OVID'KO, Metal-graphene nanocomposites with enhanced mechanical properties: a review, Rev. Adv. Mater. Sci., 2014, v. 38, p.p. 190-200. *
J. WANG et al, Reinforcement with graphene nanosheets in aluminum matrix composites, Scripta Materialia, 2012, v. 66, p.p. 594-597. P. KUMAR H. G., M. ANTHONY XAVIOR, Graphene Reinforced Metal Matrix Composite (GRMMC): A Review, Procedia Engineering, 2014, v. 97, p.p. 1033-1040. TOMASZ CZEPPE et al, Application of the high pressure torsion supported by mechanical alloying for metal-graphene composites preparation, Mechanik, 2015, no. 2, p.p. 147-157. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020076188A1 (en) 2018-10-11 2020-04-16 Joint Stock Company "Irkutsk Electronetwork Company" (Jsc "Ienk") Aluminum-ion battery
RU2706652C1 (ru) * 2018-11-01 2019-11-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Способ получения композитных наноструктурированных порошков на основе графена и оксидов Al, Ce и Zr
RU2710965C1 (ru) * 2019-04-15 2020-01-14 Вячеслав Элизбарович Иванов Многорежимный аэрологический комплекс
RU2760896C1 (ru) * 2020-12-03 2021-12-01 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента" - АО "ВНИИАЛМАЗ" Способ изготовления теплопроводного композиционного материала из порошков алюминия или его сплава с графеновым покрытием
RU2778705C1 (ru) * 2021-11-24 2022-08-23 Публичное акционерное общество "Русполимет" Способ изготовления малопористых заготовок из порошков железоникелевых нержавеющих сталей для дальнейшего проката
RU2772480C1 (ru) * 2022-02-01 2022-05-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Композиционный материал и способ его изготовления
RU2797473C1 (ru) * 2022-12-21 2023-06-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГБУ "ВНИИТС") Способ изготовления изотропного титаноматричного композиционного материала

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015130107A (ru) 2017-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yolshina et al. Novel aluminum-graphene and aluminum-graphite metallic composite materials: Synthesis and properties
Wang et al. Combining Cr pre-coating and Cr alloying to improve the thermal conductivity of diamond particles reinforced Cu matrix composites
Elshalakany et al. Microstructure and mechanical properties of MWCNTs reinforced A356 aluminum alloys cast nanocomposites fabricated by using a combination of rheocasting and squeeze casting techniques
Wang et al. Interfacial structure evolution and thermal conductivity of Cu-Zr/diamond composites prepared by gas pressure infiltration
Elkady et al. Physico-mechanical and tribological properties of Cu/h-BN nanocomposites synthesized by PM route
RU2623410C2 (ru) Способ синтеза металл-графеновых нанокомпозитов
Zhou et al. W-Cu composites reinforced by copper coated graphene prepared using infiltration sintering and spark plasma sintering: A comparative study
EP3436401A1 (en) Nanostructure self-dispersion and self-stabilization in molten metals
Zhang et al. In situ formation of low interstitials Ti-TiC composites by gas-solid reaction
Ağaoğulları Effects of ZrC content and mechanical alloying on the microstructural and mechanical properties of hypoeutectic Al-7 wt.% Si composites prepared by spark plasma sintering
Mirjavadi et al. Effect of hot extrusion and T6 heat treatment on microstructure and mechanical properties of Al-10Zn-3.5 Mg-2.5 Cu nanocomposite reinforced with graphene nanoplatelets
Nazeer et al. Higher mechanical and thermal properties of Cu-rGO composites
Pingale et al. The influence of graphene nanoplatelets (GNPs) addition on the microstructure and mechanical properties of Cu-GNPs composites fabricated by electro-co-deposition and powder metallurgy
Ma et al. Microstructural characterization of Al 4 C 3 in aluminum–graphite composite prepared by electron-beam melting
Abu–Okail et al. Effect of GNPs content at various compaction pressures and sintering temperatures on the mechanical and electrical properties of hybrid Cu/Al2O3/xGNPs nanocomposites synthesized by high energy ball milling
Liu et al. Microstructures and mechanical properties of in-situ TiB2/Al− xSi− 0.3 Mg composites
Elshina et al. Synthesis of new metal-matrix Al–Al 2 O 3–graphene composite materials
Li et al. Strength adjust mechanism of high toughness Al4C3/Al-xMg composites
Lu et al. The influence of particle surface oxidation treatment on microstructure and mechanical behavior of 3D-SiCp/A356 interpenetrating composites fabricated by pressure infiltration technique
Zeng et al. Effects of 3D graphene networks on the microstructure and physical properties of SiC/Al composites
Xue et al. Effect of high pressure torsion on interfaces and mechanical properties of SiC/Al composite
Nowak et al. Wettability and Reactivity of ZrB 2 Substrates with Liquid Al
Sobhani et al. Microstructural evolution of copper–titanium alloy during in-situ formation of TiB2 particles
Senthil Saravanan et al. Mechanical properties and corrosion behavior of carbon nanotubes reinforced AA 4032 nanocomposites
Mendoza-Duarte et al. Aluminum carbide formation in Al-graphite composites: In situ study and effects of processing variables and sintering method