ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Відомо, що додавання невеликої кількості вуглецевих наноматеріалів значно покращує механічні властивості композитів з металевою матрицею. Одним із найбільш важливим, перспективним та доступним металом як матриці для подібної модифікації є алюміній. Однак на межі поділу між вуглецевим матеріалом та                      Al утворюється карбіди алюмінію різного складу, які є крихкими і мають головний недолік – розчинність у воді. Тому поява карбіду алюмінію є серйозною проблемою, оскільки це сприяє утворенню дефектів, які при деформації композиту приводять до розтріскування композиту внаслідок наявності мікроголок. У зв’язку з цим, для передбачення особливостей взаємодії саме алюмінію з поверхнею доповнених гетероатомами (N, B, Si) вуглецевих наноматеріалів, доцільно провести моделювання таких процесів методами квантової хімії. Метою роботи було з’ясувати вплив температури на хімічну взаємодію кластерів алюмінію з нативною, бор-, силіций- та нітрогенвмісними графеноподібними площинами (ГПП). Всі розраховані трьома методами (B3LYP/6-31G(d,p), МР2/6-31G(d,p) та PВЕ0/6-31G(d,p)) значення залежності вільної енергії Гібса від температури як для різних розмірів кластерів алюмінію, так і графеноподібних кластерів, є найвищими для нативних графеноподібних площин. У усіх випадках, значення вільної енергії Гібса зростають з температурою. Найнижчі значення температурної залежності вільної енергії Гібса змінюються від розміру моделей реагуючих речовин і методів дослідження, особливо це характерно за наявності в складі графеноподібних кластерів атомів бору та кремнію. Отже, відсутність домішкових гетероатомів у складі нановуглецевої матриці сприяє тому, що у вуглецьвмісному нанокомпозиті з алюмінієм не будуть утворюватись острівці карбіду алюмінію, який негативно впливає на фізичні та хімічні характеристики одержаного нанокомпозиту.

De Volder M.F.L., Tawfick S.H., Baughman R.H., Hart A.J. Carbon nanotubes: present and future commercial applications. Science. 2013. 339(6119): 535. https://doi.org/10.1126/science.1222453

Geim A.K., Novoselov K.S. The rise of graphene. Nat. Mater. 2007. 6: 183. https://doi.org/10.1038/nmat1849

Sahu D., Sutar H., Senapati P., Murmu R., Roy D. Graphene, Graphene-Derivatives and Composites: Fundamentals, Synthesis Approaches to Applications. J. Compos. Sci. 2021. 5(7): 181. https://doi.org/10.3390/jcs5070181

Li Z., Fu X., Guo Q., Zhao L., Fan G., Li Z., Xiong D.B., Su Y., Zhang D. Graphene quality dominated interface deformation behavior of graphene-metal composite: The defective is better. Int. J. Plast. 2018. 111: 253. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.07.020

Hu Z., Tong G., Lin D., Chen C., Guo H., Xu J., Zhou L. Graphene-reinforced metal matrix nanocomposites - a review. Mater. Sci. Technol. 2016. 32: 930. https://doi.org/10.1080/02670836.2015.1104018

Muxi L., Yuhong Z., Liwen C., Jianquan L., Ting Z., Hua H. Research progress on preparation technology of graphene-reinforced aluminum matrix composites. Mater. Res. Express. 2019. 6(3): 032002. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaf4a5

Lee C, Wei X.D., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science. 2008. 321(5887): 385. https://doi.org/10.1126/science.1157996

Williams J.C., Starke E.A.Jr. Progress in structural materials for aerospace systems. Acta Mater. 2003. 51(19): 5775. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.023

Bakshi S.R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon nanotube reinforced metal matrix composites - a review. Int. Mater. Rev. 2010. 55(1): 41. https://doi.org/10.1179/095066009X12572530170543

Silvestre N. State-of-the-art Review on Carbon Nanotube Reinforced Metal Matrix Composites. Int. J.Compos. Mater. 2013. 3(6A): 28.

Ghodrati H., Ghomashchi R. Effect of graphene dispersion and interfacial bonding on the mechanical properties of metal matrix composites: An overview. FlatChem. 2019. 16: 100113. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2019.100113

Doğan K., Özgün M.İ., Sübütay H., Salur E., Eker Y., Kuntoğlu M., Aslan A., Gupta M.K., Acarer M. Dispersion mechanism-induced variations in microstructural and mechanical behavior of CNT-reinforced aluminum nanocomposites. Archiv. Civ. Mech. Eng. 2022. 22: 55. https://doi.org/10.1007/s43452-022-00374-z

Chen W., Yang T., Dong L., Elmasry A., Song J., Deng N., Elmarakbi A., Liu T., Lv H.B., Fu Y.Q. Advances in graphene reinforced metal matrix nanocomposites: Mechanisms, processing, modelling, properties and applications. Nanotech. Precis. Eng. 2020. 3(4): 189. https://doi.org/10.1016/j.npe.2020.12.003

Ameri S., Sadeghian Z., Kazeminezhad I. Effect of CNT addition approach on the microstructure and properties of NiAl- CNT nanocomposites produced by mechanical alloying and spark plasma sintering. Intermetallics. 2016. 76: 41. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2016.06.010

Huang Z., Zheng Z., Zhao S., Luo P., Chen L. Copper matrix composites reinforced by aligned carbon nanotubes: mechanical and tribological properties. Mater. Des. 2017. 133: 570. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.08.021

Bor A., Ichinkhorloo B., Uyanga B., Lee J., Choi H. Cu/CNT nanocomposite fabrication with different raw material properties using a planetary ball milling process. Powder Technol. 2018. 323: 563. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.06.042

Zhang X., Zhao N., He C. The superior mechanical and physical properties of nanocarbon reinforced bulk composites achieved by architecture design - a review. Prog. Mater. Sci. 2020. 113: 100672. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100672

Zhao Z., Bai P., Du W., Liu B., Pan D., Das R., Liu C., Guo Z. An overview of graphene and its derivatives reinforced metal matrix composites: preparation, properties and applications. Carbon. 2020. 170: 302. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.08.040

Montazeri A., Mobarghei A. Nanotribological behavior analysis of graphene/metal nanocomposites via MD simulations: new concepts and underlying mechanisms. J. Phys. Chem. Solids. 2018. 115: 49. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.12.012

Xing C., Sheng J., Wang L., Fei W. Research progress in molecular dynamics simulation of CNT and graphene reinforced metal matrix composites. Oxford Open Mater. Sci. 2021. 1(1): itab008. https://doi.org/10.1093/oxfmat/itab008

Kumar S., Pattanayek S.K., Das S.K. Reactivity-Controlled Aggregation of Graphene Nanoflakes in Aluminum Matrix: Atomistic Molecular Dynamics Simulation. J. Phys. Chem. C. 2019. 123(29): 18017. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b03101

Nasiri S., Wang K., Yang M., Guénolé J., Li Q., Zaiser M. Atomistic aspects of load transfer and fracture in CNT-reinforced aluminium. (Materialia, Elsevier, 2022). https://doi.org/10.2139/ssrn.3955670

Faria B., Guarda C., Silvestre N., Lopes J.N.C. Aluminum composites reinforced by γ-graphynes: The effect of nanofillers porosity and shape on crystal growth and composite strengthening. Comput. Mater. Sci. 2020. 176: 109538. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109538

Zhou X., Liu X., Lei J., Yang Q. Atomic simulations of the formation of twist grain boundary and mechanical properties of graphene/aluminum nanolaminated composites. Comput. Mater. Sci. 2020. 172: 109342. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.109342

Zhang S., Chen G., Qu T., Wei J., Yan Y., Liu Q., Zhou M., Zhang G., Zhou Z., Gao H., Yao D., Zhang Y., Shi Q., Zhang H. A novel aluminum-carbon nanotubes nanocomposite with doubled strength and preserved electrical conductivity. Nano Res. 2021. 14: 2776. https://doi.org/10.1007/s12274-021-3284-4

Zhang L., Hou G., Zhai W., Ai Q., Feng J., Zhang L., Si P., Ci L. Aluminum/graphene composites with enhanced heat-dissipation properties by in-situ reduction of graphene oxide on aluminum particles. J. Alloys Compd. 2018. 748: 854. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.237

Jia H., Fan J., Liu Y., Zhao Y., Nie J., Wei S. Study on fabrication and properties of Graphite/Al composites by hot isostatic pressing-rolling process. Materials. 2021. 14(10): 2522. https://doi.org/10.3390/ma14102522

Shao P., Sun K., Zhu P., Liu K., Zhang Q., Yang W., Wang, Z., Sun M., Zhang D., Kidalov S., Xiao H., Wu G. Enhancing the strengthening effect of graphene-nanoplates in Al matrix composites by heterogeneous matrix design. Nanomater. 2022. 12(11): 1833. https://doi.org/10.3390/nano12111833

Lou S.M., Qu C.D., Guo G.X., Ran L.W., Liu Y.Q., Zhang P.P., Su C.J., Wang Q.B. Effect of fabrication parameters on the performance of 0.5 wt. % graphene nanoplates-reinforced aluminum composites. Mater. 2020. 13(16): 3483. https://doi.org/10.3390/ma13163483

Faria B., Guarda C., Silvestre N., Lopes J.N.C. Aluminum composites reinforced by γ-graphynes: The effect of nanofillers porosity and shape on crystal growth and composite strengthening. Comput. Mater. Sci. 2020. 176: 109538. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109538

Mohammed S.M.A.K., Chen D.L. Carbon nanotube-reinforced aluminum matrix composites. Adv. Eng. Mater. 2020. 22(4): 1901176. https://doi.org/10.1002/adem.201901176

Starke E.A.Jr., Staley J.T. Application of modern aluminum alloys to aircraft. Prog. Aerosp. Sci. 1996. 32(2-3): 131. https://doi.org/10.1016/0376-0421(95)00004-6

Shia Z.J., Wang Z.B., Wang X.D., Zhang S., Zhen Y.G. Effect of thermally induced B2 phase on the corrosion behavior of an Al0.3CoCrFeNi high entropy alloy. J. Alloys Compd. 2022. 903: 163886. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163886

Palei B.B., Dash T., Biswal S.K. Graphene reinforced aluminum nanocomposites: synthesis, characterization and properties. J. Mater. Sci. 2022. 57(18): 1. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07043-9

Palei B.B., Dash T., Biswal S.K. A review on recent advances of aluminium/graphene nanocomposite. PalArch's J. Archaeol. Egypt/Egyptol. 2020. 17(7): 10119.

Pourmand N.S., Asgharzadeh H. Aluminum matrix composites reinforced with graphene: a review on production, microstructure, and properties. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 2019. 45(4): 289. https://doi.org/10.1080/10408436.2019.1632792

Bakshi S.R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon nanotube reinforced metal matrix composites - a review. Int. Mater. Rev. 2010. 55(1): 41. https://doi.org/10.1179/095066009X12572530170543

Sun C., Song M., Wang Z., He Y. Effect of particle size on the microstructures and mechanical properties of SiC reinforced pure aluminum composite. J. Mater. Eng. Perform. 2011. 20: 1606. https://doi.org/10.1007/s11665-010-9801-3

Tjong S.C. Recent progress in the development and properties of novel metal matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes and graphene nanosheets. Mater. Sci. Eng. R. Rep. 2013. 74(10): 281. https://doi.org/10.1016/j.mser.2013.08.001

Xu C., Wang X., Zhu J.W. Graphene−metal particle nanocomposites. J. Phys. Chem. C. 2008. 112(50): 19841. https://doi.org/10.1021/jp807989b

Kuzumaki T., Miyazawa K., Ichinose H., Ito K. Processing of carbon nanotube reinforced aluminum composite. J. Mater. Res. 1998. 13(9): 2445. https://doi.org/10.1557/JMR.1998.0340

Okamoto H. Phase Diagram updates: section III: Al-C (Aluminum-Carbon). J. Phase Equilibria. 1992. 13: 97. https://doi.org/10.1007/BF02645389

Xu D.K., Rometsch P.A., Birbilis N. Improved solution treatment for an as-rolled Al-Zn-Mg-Cu alloy. Part I. Characterisation of constituent particles and overheating. Mater. Sci. Eng. A. 2012. 534: 234. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.11.065

Xu C.L., Wei B.Q., Ma R.Z., Liang J., Ma X.K., Wu D.H. Fabrication of aluminum-carbon nanotube composites and their electrical properties. Carbon. 1999. 37(5): 855. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00285-1

Kuzumaki T., Miyazawa K., Ichinose H., Ito K. Processing of carbon nanotube reinforced aluminum composite J. Mater. Res. 1998. 13(9): 2445. https://doi.org/10.1557/JMR.1998.0340

Ahmad S.I., Hamoudi H., Abdala A., Ghouri Z.K., Youssef K.M. Graphene-reinforced bulk metal matrix composites: synthesis, microstructure, and properties. Rev. Adv. Mater. Sci. 2020. 59(1): 67. https://doi.org/10.1515/rams-2020-0007

Esawi A.M.K, Morsi K., Sayed A., Gawad A.A., Borah P. Fabrication and properties of dispersed carbon nanotube-aluminum composites. Mater. Sci. Eng. A. 2009. 508(1-2): 167. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.01.002

Zhao W., Zhao Z., Bai P., Zhang L., Han B., Du W. The Interfacial Characteristics of graphene/Al4C3 in Graphene/AlSi10Mg composites prepared by selective laser melting: first principles and experimental results. Materials. 2020. 13(3): 702. https://doi.org/10.3390/ma13030702

Ali A.M., Omar M.Z., Hashim H., Salleh M.S., Fadhlina I. Mohamed Recent development in graphene-reinforced aluminium matrix composite: A review. Rev. Adv. Mater. Sci. 2021. 60(1): 801. https://doi.org/10.1515/rams-2021-0062

Strelko V.V., Kuts V.S., Thrower P.A. On the mechanism of possible influence of heteroatoms of nitrogen, boron and phosphorus in a carbon matrix on the catalytic activity of carbons in electron transfer reactions. Carbon. 2000. 38(10): 499. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00121-4

Chang K., Gu D. Direct metal laser sintering synthesis of carbon nanotube reinforced Ti matrix composites: Densification, distribution characteristics and properties. J. Mater. Res. 2016 31(2): 281. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.403

Chen X., Qian F., Bai X., Zhao D., Zhang X., Li J., He C., Shi C., Tao J., Zhao N. Formation of the orientation relationship-dependent interfacial carbide in Al matrix composite affected by architectured carbon nanotube. Acta Mater. 2022. 228: 117758. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117758

Sadeghi B., Cavaliere P., Pruncu C.I. Architecture dependent strengthening mechanisms in graphene/Al heterogeneous lamellar composites. Mater. Character. 2022. 188: 111913. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.111913

Qiu Z., Zhang Z., Xiong Y., Luo X., Li Z., Zheng K., Hu W. Size effects of graphene sheets on the strengthening mechanism of Al-graphene composites: A molecular dynamics study. Appl. Surf. Sci. 2022. 596: 153546. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153546

Demianenko E., Ilchenko M., Grebenyuk A., Lobanov V. A theoretical study on orthosilicic acid dissociation in water clusters. Chem. Phys. Lett. 2011. 515(4-6): 274. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2011.09.038

Matveev A.V., Neyman K.M., Pacchioni G., Rosch N. Density functional study of M4 clusters (M=Cu, Ag, Ni, Pd) deposited on the regular MgO(001) surface. Chem.Phys. Lett. 1999. 299(6): 603. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)01183-X

Ma L., Wang J., Hao Y., Wang G. Density functional theory study of FePdn (n = 2-14) clusters and interactions with small molecules. Comput. Mater. Sci. 2013. 68: 166. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.10.014

Montejo-Alvaro F., Oliva J., Herrera-Trejo, M. Hdz-García H. M., Mtz-Enriquez A.I. DFT study of small gas molecules adsorbed on undoped and N-, Si-, B-, and Al-doped graphene quantum dots. Theor. Chem. Acc. 2019. 138: 37. https://doi.org/10.1007/s00214-019-2428-z

Barca G., Bertoni C., Carrington L., Datta D., De Silva N., Deustua J.E., Fedorov D.G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J., Mironov V. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152(15): 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188

Becke A.D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913

Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

Voitko K., Tóth A., Demianenko E., Dobos G., Berke B., Bakalinska O., Grebenyuk A., Tombácz E., Kuts V., Tarasenko Y., Kartel M., László K. Catalytic performance of carbon nanotubes in H2O2 decomposition: Experimental and quantum chemical study. J. Colloid Interf. Sci. 2015. 437: 283. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.09.045

Ernzerhof M., Scuseria G.E. Assessment of the Perdew−Burke−Ernzerhof exchange-correlation functional. J. Chem. Phys. 1999. 110(11): 5029. https://doi.org/10.1063/1.478401

Dimakis N., Gupta S., Wadud R., Bhatti M.I. Computational data of molybdenum disulfide/graphene bilayer heterojunction under strain. Data in Brief. 2022. 42: 108054. https://doi.org/10.1016/j.dib.2022.108054

Jabed M.A., Zhao J., Kilin D., Yu T. Understanding of light absorption properties of the N-doped graphene oxide quantum dot with TD-DFT. J. Phys. Chem. C. 2021. 125(27): 14979. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03012

Head-Gordon M., Pople J.A., Frisch M.J. MP2 energy evaluation by direct methods. Chem. Phys. Lett. 1988. 153(6): 503. https://doi.org/10.1016/0009-2614(88)85250-3