Получение и исследование новых композитных материалов полимер-графен. Obtaining and research of new composite materials polymer-graphene
Ключевые слова:
графен, оксид графена, полимерные композиты, механические свойства, graphene, graphene oxide, polymer composites, mechanical propertiesАннотация
В работе представлены результаты компьютерного моделирования и расчетов энергетических характеристик нескольких возможных стабильных конфигураций, обеспечивающих жесткую связь полимерной матрицы с графеновыми структурами в композитных материалах. Проведены измерения механических и электрических свойств образцов композитов на основе нескольких типов полимеров (полиэтилен, поливиниловый спирт, полидиметилсилоксан, эпоксидная смола) с наполнителями из графена и его производных наноструктур. Для исследования структуры и свойств полученных образцов были выбраны такие методы анализа, как спектроскопия комбинационного рассеяния, оптическая микроскопия и измерение микротвердости по методу Кнупа. Результаты теоретических расчетов систем «полимер-графеновые структуры» хорошо согласуются с данными предварительных экспериментов и исследований твердости и прочности. Хорошая взаимосвязь углеродных наноструктур с полимерной матрицей обеспечивает эффективную передачу нагрузки от полимерного материала углеродной наноструктуре и, в конечном счете, приводит к повышению прочностных характеристик композита. Показано, что добавление графена и его производных наноструктур – оксида графена и графита - в качестве армирующего вещества в полимерную матрицу значительно увеличивает механические свойства и уменьшает электрическое сопротивление получаемых композитов. This paper presents the results of computer simulation and calculations of the energy characteristics of several possible stable configurations, providing rigid connection of the polymer matrix with graphene structures in composite materials. The measurements of mechanical and electrical properties of composite sample based on several types of polymers (polyethylene, polyvinyl alcohol, polydimethylsiloxane and epoxy resin) with fillers of graphene and its derivative nanostructures were performed. To study of samples’ structure and properties such methods of analysis as Raman spectroscopy, optical microscopy and microhardness testing (Knoop method) were chosen. The results of theoretical calculations of "polymer-graphene structures" systems are in good agreement with preliminary experiments and hardness and strength measurements. Good interconnection of carbon nanostructures with a polymer matrix provides an effective load transfer from the polymer material and the carbon nanostructure, ultimately leads to an increase of the strength characteristics of the composite. It is shown that the addition of graphene and its derivative nanostructures - graphite and graphene oxide - as reinforcing material in a polymer matrix significantly increases the mechanical properties and reduces the electric resistance of the resulting composite.Библиографические ссылки
1. Yang Y., Rigdon W., Huang X., Li X. Enhancing graphene reinforcing potential in composites by hydrogen passivation
induced dispersion. // Sci. Reports, 3, 2086, (2013) doi: 10.1038/ srep 02086.
2. Stankovich S. et al. Graphene-based composite materials. Nature 442, 282-286 (2006).
3. Fang M., Wang K.G., Lu H.B. et al. Covalent polymer functionalization of graphene nanosheets and mechanical properties
of composites. // J.Mater.Chem. 19, 7098-7105 (2009).
4. Shahil K.M., Balandin A.A. Graphene-multilayer graphene nanocomposites as highly efficient thermal interface materials.
// Nano Lett. 12, 861-867 (2012).
5. Chatterjii I.S. et al. Crystalline and tensile properties of carbon nanotubes and graphene reinforced polyamid -12 fibers. //
Chem.Phys. Lett. 557, 92 (2013).
6. Chatterjii I.S. et al. Mechanical reinforcement and thermal conductivity in expanded graphene nanoplatelets reinforced
epoxy composites. // Chem.Phys.Lett., 2012, 531,6.
7. Ilyin A.M. Computer Simulation of Carbon- and Graphene-Metal Nanostructures. In: “Computer Simulation:
Applications, Technologies”, Ed. B.Nemanjik, “Nova_Sci.Publish.”, NY, USA, 2013. ISBN: 978-1-62257-580-0.
8. Ilyin A.M. Computer Simulation of Radiation Defects in Graphene and Relative Structures. ”InTech”, “Graphene
Simulation”, Ed. J. R. Gong, 2011, P. 39-52, ISBN 978-953-307-556-3.
9. Ilyin A.M., Guseinov N.R., Nemkaeva R.R., Tsyganov I.A., Asanova S.B., Kudryashov V.V. Bridge-Like Radiation
Defects in Few-Layer Graphene // Nuclear Instruments &Methods Phys.Res.B, 315 (2013) 192-196.
10. Ilyin A.M. and Beall G.W. Computer Simulation of Graphene-Metal Composite Induced by Radiation // NanoTech
Conference & Expo -2011, Boston, USA, June 13-16, 2011, Proceedings, V1, Ch.5., “Composite Materials”. – P. 574-576.
induced dispersion. // Sci. Reports, 3, 2086, (2013) doi: 10.1038/ srep 02086.
2. Stankovich S. et al. Graphene-based composite materials. Nature 442, 282-286 (2006).
3. Fang M., Wang K.G., Lu H.B. et al. Covalent polymer functionalization of graphene nanosheets and mechanical properties
of composites. // J.Mater.Chem. 19, 7098-7105 (2009).
4. Shahil K.M., Balandin A.A. Graphene-multilayer graphene nanocomposites as highly efficient thermal interface materials.
// Nano Lett. 12, 861-867 (2012).
5. Chatterjii I.S. et al. Crystalline and tensile properties of carbon nanotubes and graphene reinforced polyamid -12 fibers. //
Chem.Phys. Lett. 557, 92 (2013).
6. Chatterjii I.S. et al. Mechanical reinforcement and thermal conductivity in expanded graphene nanoplatelets reinforced
epoxy composites. // Chem.Phys.Lett., 2012, 531,6.
7. Ilyin A.M. Computer Simulation of Carbon- and Graphene-Metal Nanostructures. In: “Computer Simulation:
Applications, Technologies”, Ed. B.Nemanjik, “Nova_Sci.Publish.”, NY, USA, 2013. ISBN: 978-1-62257-580-0.
8. Ilyin A.M. Computer Simulation of Radiation Defects in Graphene and Relative Structures. ”InTech”, “Graphene
Simulation”, Ed. J. R. Gong, 2011, P. 39-52, ISBN 978-953-307-556-3.
9. Ilyin A.M., Guseinov N.R., Nemkaeva R.R., Tsyganov I.A., Asanova S.B., Kudryashov V.V. Bridge-Like Radiation
Defects in Few-Layer Graphene // Nuclear Instruments &Methods Phys.Res.B, 315 (2013) 192-196.
10. Ilyin A.M. and Beall G.W. Computer Simulation of Graphene-Metal Composite Induced by Radiation // NanoTech
Conference & Expo -2011, Boston, USA, June 13-16, 2011, Proceedings, V1, Ch.5., “Composite Materials”. – P. 574-576.
Загрузки
Опубликован
2013-12-18
Выпуск
Раздел
Физика конденсированного состояния и проблемы материаловедения. Нанонаука
