Исследование трибологических свойств нанокомпозита Al₂O₃ + Г, полученного методом плазменно-искрового спекания

Исследовано влияние содержания аллотропной модификации углерода — графена (Г) в интервале концентраций 0,5 – 2,0 % вес. на трибологические, прочностные и структурные характеристики нанокомпозита оксид алюминия — графен (Al₂O₃/Г). Нанокомпозит получен методом плазменно-искрового спекания при температуре 1550 °C в течение 10 мин и давлении 50 МПа смеси нанопорошков, предварительно подвергнутых ультразвуковому диспергированию в органическом растворителе. Представлены результаты его испытаний на трение и износ без смазки на трибометре под нагрузкой 20 Н при комнатной температуре — при круговом движении рубинового шарика-индентора по диску, кинетического индентирования с определением нанотвердости и модуля упругости, а также наблюдений структуры поверхности изломов и дорожек трения в растровом микроскопе. Для определения микроструктуры в объеме нанокомпозита и подтверждения термической стабильности графена в процессе плазменно-искрового спекания использованы методы просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг в темном и светлом полях и Рамановской спектроскопии соответственно. Показано, что введение графена способствует повышению микро- и нанотвердости, модуля упругости, износостойкости на два-три порядка и небольшому уменьшению коэффициента трения. Повышение содержания графена до 2 % вес. изменяет механизм износа от хрупкого отрывом до вязкого сдвигом, что связано с усилением связи матричных зерен и наличием агломератов. Подтверждено отсутствие деградации графена и сохранение его термической стабильности. Морфология частиц графена свидетельствует об их преимущественном расположении внутри зерен корунда и более редком — на границах зерен.

1. Novoselov K. S. et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene / Nature. 2005. Vol. 438. P. 197 – 200.

2. Xia H., Zhang X., Shi Z., Zhao C., et al. Mechanical and thermal properties of reduced graphene oxide reinforced aluminum nitride ceramic composites / Mater. Sci. Eng. 2015. Vol. 639. P. 29 – 36.

3. Kim H. J. et al. Unoxidized Graphene/Alumina Nanocomposite: Fracture and Wear Resistance Effects of Graphene on Alumina Matrix / Sci. Rep. 2014. Vol. 4. P. 5176 – 5185.

4. Centeno A., Rocha V. G., Alonso B., Fernández A., et al. Graphene for tough and electroconductive alumina ceramics / J. Eur. Ceram. Soc. 2013. Vol. 333. P. 201 – 321.

5. Borrell A., Torrecillas R., Rocha V. G., Fernández A., et al. Effect of CNFs content on the tribological behaviour of spark plasma sintering ceramic-CNFs composites / Wear. 2012. Vol. 274. P. 94 – 99.

6. Stankovich S. et al. Graphene-based composite materials / Nature. Vol. 42006. N 42. P. 282 – 286.

7. Zholnin A. G., Kovaleva I. V., Yurlova M. C., Ilina A. M., et al. Uniaxial magnetic pulsed compaction of δ-Al2O3 nano powders followed by conventional and spark-plasma sintering / Phys. Chem. Mat. Procs. 2015. Vol. 2. P. 73 – 79.

8. Yu M., Grasso S., McKinnon R., Saunders T. J., Reece M. J. Review of flash sintering: materials, mechanisms and modeling / Advances in Applied Ceramics. 2016. December. P. 1 – 37.

9. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / J. Mater. Res. 1992. Vol. 7. P. 1564 – 1583.

10. Kachala V. V., Khemchyan L. L., Kashin A. S., Orlov N. V., Grachev A. A., Zalesskiy S. S., Ananikov V. P. Target-oriented analysis of gaseous, liquid and solid chemical systems by mass spectrometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy and electron microscopy / Russ. Chem. Rev. 2013. Vol. 82. P. 648 – 685.

11. Kashin A. S., Ananikov V. P. A SEM study of nanosized metal films and metal nanoparticles obtained by magnetron sputtering / Russ. Chem. Bull. Int. Ed. 2011. Vol. 60. P. 2602 – 2607.

12. ASTM International: (2003) ASTM G99-03: Standard test method for wear testing with a pin-on-disc apparatus. ASTM annual book of standards. — West Conshohocken: ASTM International.

13. Zholnin A. G., Kovaleva I. V., Rytenko V. Yu., Pahilo-Daryal I. O., et al. Effect of particle size of alumina powder on spark-plasma sintering / Phys. Chem. Mat. Procs. 2016. Vol. 1. P. 53 – 63.

14. Golovin Yu. I. Introduction to nanotechnology. — M.: Mashinostroenie, 2007. — 496 p. [in Russian].

15. Klyatskina E. A., Grigoriev E. G., Zholnin A. G., Salvador M. D., et al. Structure and properties of alumina reinforcement with graphene nanoplatelets obtained by spark plasma sintering / J. Ceram. Sci. Techn. 2018.

16. Benavente R., Pruna A., Borrell A., Salvador M. D., et al. Fast route to obtain Al2O3-based nanocomposites employing graphene oxide: Synthesis and sintering / Mater. Res. Bull. 2015. Vol. 64. P. 245 – 251.

17. Inam F., Vo T., Bhat B. R. Structural stability studies of graphene in sintered ceramic nanocomposites / Ceram Int. 2014. Vol. 40. P. 16227 – 16233.

18. Gupta A., Chen G., Joshi P., Tadigadapa S., Eklund P. C. Raman scattering from high-frequency phonons in supported n-graphene layer films / Nano Lett. 2006. Vol. 6. P. 2667 – 2673.