Первая в мире модель прогнозирования деформации сплавов с графеном

Ученые из Института проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН), Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Института исследования металлов (Шэньян, Китай) создали первую в мире достоверную модель прогнозирования пластической деформации металлических сплавов, упрочнённых графеном. Она показала важность характера распределения графена, а также выявила, что добавление графена может увеличить прочность некоторых сплавов до 50%.

Почти все металлы, которые нас окружают — это сплавы: стали, бронзы, алюминиевые сплавы и т.д. Материалы, из которых изготавливают несущие элементы конструкций и машин, называют конструкционными. Их основная задача — нести механическую нагрузку. Изучение деформации этих металлов важно для понимания того, как поведёт себя металл под нагрузкой, при каких напряжениях, насколько сильно и с какими особенностями он будет деформироваться.

Исследователи изучили композиты на базе металлических сплавов с графеном в качестве наполнителя, то есть упрочняющего элемента. Графен — один из перспективных материалов, представляющий собой двумерную аллотропную модификацию углерода, образованную слоем атомов углерода толщиной в один атом и обладающую очень большой механической прочностью. Усилить графеном было решено так называемые «стареющие» сплавы, в которых при термообработке возникают выделения. Эти выделения по сути являются упрочняющими частицами, которые значительно повышают прочность сплава и влияют на другие механические свойства. Такие сплавы известны очень давно и широко применяются в промышленности.

«В нашей работе, мы теоретически получали так называемую диаграмму растяжения (зависимость растягивающего напряжения от деформации растяжения) в широком диапазоне деформаций; практически до начала процесса разрушения. Анализ этой диаграммы позволяет понять какие механические свойства имеет анализируемый материал: его прочность, насколько он пластичный или, наоборот, хрупкий и т.д.», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН Сергей Бобылев.

«В работе мы исследовали разные конфигурации композита, где варьировались параметры графена, а именно: его общее количество (концентрация), характер распределения в объеме материала (графен может располагаться по границам зёрен, может быть внутри зёрен, а может быть и там и там в разных пропорциях) и геометрические характеристики графеновых включений (размеры). Разумеется, параметры сплава (его химический состав, размер выделений и т.д.) также можно варьировать, но основная цель работы была исследовать влияние именно графена», — пояснил Сергей Бобылев.

В рамках данной работы была создана теоретическая модель, которая с высокой достоверностью рассчитывает механические свойства композитов металлический сплав/графен. Эта модель позволяет предсказывать свойства композитов, что помогает экономить на дорогостоящих экспериментах. Кроме того, теоретическая модель позволяет выявить неочевидные изначально зависимости.

Например, в данном случае модель показала, что ключевое влияние на прочность композита металлический сплав/графен оказывает графен, залегающий по границам зёрен, а графен внутри зёрен менее важен. При этом в экспериментах зачастую не обращают на этот фактор никакого внимания, а многие методы изготовления композитов не имеют даже контроля над тем, где окажется графен в готовом образце.

С помощью разработанной модели была проведена оценка эффективности добавления графена в сплав Al-4Cu (алюминий-медь). Оказалось, что введение 1% графена (по массе) увеличивает прочность сплава на 50%.

Результаты исследования опубликованы в International Journal of Solids and Structures.