Влияние добавок оксида графена на структуру наполнителя и физико-механические свойства углеграфитового нанокомпозита
https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-01-019-031
Аннотация
Рассмотрено влияние добавок оксида графена (ОГ) на структуру и морфологию графитового наполнителя и прочностные характеристики конечных углеграфитовых композитов. Рецептурный состав опытных образцов шихты выбран с применением математического метода планирования эксперимента и плана Хартли. Определены гранулометрический состав образцов исходной и модифицированной шихты и их адсорбционная емкость по отношению к пеку. Для оценки структуры и морфологии частиц наполнителя использованы методы сканирующей электронной микроскопии, КР-спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии, измерения виброплотности и удельной поверхности (по БЭТ). Показано, что при добавлении 0,9 мас. % ОГ в состав наполнителя формируется более плотное зерно с меньшим количеством пустот. При этом значение удельной поверхности снижается в 3,6 раза, а сорбционная емкость по отношению к пеку, напротив, возрастает в 2,7 раза, что указывает на изменение химического состава поверхности частиц наполнителя. По данным спектроскопии КР образцы модифицированной шихты характеризуются более высоким значением соотношения D/G, на поверхности частиц присутствуют функциональные группы, преобладают краевые дефекты. В ходе физико-механических испытаний образцов после обжига установлено, что за счет введения 0,9 мас. % оксида графена предел прочности при сжатии увеличивается с 35,5 до 97,5 МПа. Полученные результаты имеют важное значение для разработки новых композитных материалов триботехнического назначения.
Ключевые слова
Об авторах
Р. Д. БалабановРоссия
Балабанов Роман Дмитриевич, аспирант, Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ); младший научный сотрудник, АО «НИИграфит»
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
ул. Электродная, 2, Москва, 111524
Т. П. Дьячкова
Россия
Дьячкова Татьяна Петровна, доктор химических наук, профессор
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
А. Г. Федюшкина
Россия
Федюшкина Анна Генриховна, руководитель направления
ул. Электродная, 2, Москва, 111524
И. В. Гутник
Россия
Гутник Ирина Владимировна, кандидат технических наук, доцент
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
Г. А. Титов
Россия
Титов Георгий Анатольевич, студент
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
Е. А. Буракова
Россия
Буракова Елена Анатольевна, доктор технических наук, доцент
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
Е. Н. Туголуков
Россия
Туголуков Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
Список литературы
1. Kablov EN. Innovative developments of FSUE “VIAM” SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2015;(1(34)):3-33. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33 (In Russ.)
2. Farafonov DP, Migunov VP, Aleshina RSh. Tribotechnical characteristics research of materials used for gas turbine engines blade shroud hardening. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2016;(S1):24-30. DOI:10.18577/2071-9140-2016-0-S1-24-30 (In Russ.)
3. Belogorsky VD. Antifriction graphite and its application in industry. Moscow: Znaniye; 1974. 154 p. (In Russ.)
4. Zhao J, Liu L, Guo Q, Shi J, et al. Oxidation protective behavior of SiC/Si–MoSi2 coating for different graphite matrix. Materials Letters. 2006;60(16):1964-1967. DOI:10.1016/j.matlet.2005.12.072
5. Sun C, Li H, Luo H, Xie J, et al. Effect of Y2O3 on the oxidation resistant of ZrSiO4/SiC coating prepared by supersonic plasma spraying technique for carbon/carbon composites. Surface and Coatings Technology. 2013;235:127-133. DOI:10.1016/j.surfcoat.2013.07.023
6. Konno H, Kinomura T, Habazaki H, Aramata M. Formation of oxidation resistant graphite flakes by ultrathin silicone coating. Surface and Coatings Technology. 2005;194(1):24-30. DOI:10.1016/j.surfcoat.2004.04.079
7. Wang P, Xie F, Wexler D, Yin J, et al. Tribological behaviors of copper modified carbon/carbon composites for pantograph strip under electric current conditions. Tribology International. 2023;185:108483. DOI:10.1016/j.triboint.2023.108483
8. Zhang X, Guo R, Guo Y, Ai Y, et al. Sustainable antimony management via porphyrin ligand-based MOFs: from enrichment of antimony from water to the utilization in SBO2-based aqueous batteries. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023;11(6):111148. DOI:10.1016/j.jece.2023.111148
9. Xia R, Lou D, Younes H, Haiston J, et al. Synergistic effect of hexagonal boron nitride and carbon nanofibers on tribological behavior of nanolubricant. Tribology International. 2023;177:107957. DOI:10.1016/j.triboint.2022.107957
10. Xu J, Du J, Gao X, Jiang T, et al. Tribological behaviors and wettability evolution of phenolic resinimpregnated graphite materials under water immersion condition. Annals of Nuclear Energy. 2024;208:110792. DOI:10.1016/j.anucene.2024.110792
11. Borruto A, Crivellone G, Marani F. Influence of surface wettability on friction and wear tests. Wear. 1998;222(1):57-65. DOI:10.1016/S0043-1648(98)00256-7
12. Golchin A, Friedrich K, Noll A, Prakash B. Influence of counter surface topography on the tribological behavior of carbon-filled PPS composites in water. Tribology International. 2015;88:209-217. DOI:10.1016/j.triboint.2015.03.023
13. Lu J, Ma Y, Shi J, Li H, et al. Molecular dynamics simulation and test characterization of metal migration behavior in antimony-impregnated graphite. SSRN. Available from: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4746340 [Accessed 17 December 2025]
14. Zhang Z, Qiao Z, Wang X, Guo Y, et al. Comparative study on fretting friction and wear characteristics of different impregnated graphite for sealing application. Wear. 2024;552-553:205455. DOI:10.1016/j.wear.2024.205455
15. Abbasi S, Peerzada MH, Nizamuddin S, Mubarak NM. Functionalized nanomaterials for the aerospace, vehicle, and sports industries. In: Handbook of functionalized nanomaterials for industrial applications. Elsevier; 2020. p. 795-825. DOI:10.1016/B978-0-12-816787-8.00025-9
16. Macías-Silva MA, Cedeño-Muñoz JS, Morales-Paredes CA, Tinizaray-Castillo R, et al. Nanomaterials in construction industry: an overview of their properties and contributions in building house. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2024;10:100863. DOI:10.1016/j.cscee.2024.100863
17. Trinh PV, Trung TB, Thang NB, Thang BH, et al. Calculation of the friction coefficient of Сu matrix composite reinforced by carbon nanotubes. Computational Materials Science. 2010;49(4):S239-S241. DOI:10.1016/j.commatsci.2010.01.035
18. Lai C, Zhong M, Xu W, Yi M, et al. Influences of В4С and carbon nanotubes on friction and wear performance of Сu base self-lubricating composite. Tribology International. 2023;187:108726. DOI:10.1016/j.triboint.2023.108726
19. Han D, Wang L, Zhang S, Zhang Q, et al. The impact of synergistic action of methacrylic acid/zinc oxide/carbon nanotubes on metal friction and wear. Wear. 2024;546-547:205342. DOI:10.1016/j.wear.2024.205342
20. Feng L, Xie N, Zhong J. Carbon nanofibers and their composites: a review of synthesizing, properties and applications. Materials. 2014;7(5):3919-3945. DOI:10.3390/ma7053919
21. Larionova T, Koltsova T, Fadin Yu, Tolochko O. Friction and wear of copper–carbon nanofibers compact composites prepared by chemical vapor deposition. Wear. 2014;319(1-2):118-122. DOI:10.1016/j.wear.2014.07.020
22. Tian X, Liang Y, He G, Zeng L. Reduced graphene oxide and alumina synergistically enhance the mechanical and wear properties of WC-8CO cemented carbide. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2023;113:106184. DOI:10.1016/j.ijrmhm.2023.106184
23. Yang J, Wang F, Liang C, Zhou S, et al. Surface one-step modification of graphene oxide with ncyclohexylbenzothiazole-2-sulfonamide to enhance the wear resistance of natural rubber/butadiene rubber composites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024;703:135314. DOI:10.1016/j.colsurfa.2024.135314
24. Suresh R, Muthukrishnaraj A, Kumar SP. Green magnetic nanoparticles for tribological application. In: Green Magnetic Nanoparticles (GMNPs). Elsevier; 2024. p. 301-320. DOI:10.1016/B978-0-443-21895-8.00012-6
25. Novik F, Arsov A. Optimization of metal technology processes by experimental design methods. Moscow: Mashinostroyeniye; 1980. 304 p. (In Russ.)
26. Badenhorst H. Microstructure of natural graphite flakes revealed by oxidation: limitations of XRD and Raman techniques for crystallinity estimates. Carbon. 2014;66:674-690. DOI:10.1016/j.carbon.2013.09.065
27. Zhang HB, Zheng WG, Yan Q, Yang Y, et al. Electrically conductive polyethylene terephthalate/ graphene nanocomposites prepared by melt compounding. Polymer. 2010;51(5):1191-1196. DOI:10.1016/j.polymer.2010.01.027
28. Jaafar E, Kashif M, Sahari SK, Ngaini Z. Study on morphological, optical and electrical properties of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (RGO). Materials Science Forum. 2018;917:112-116. DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.917.112
29. Kamel MSA, Stoppiello CT, Jacob MV. Improved transfer-free sustainable graphene electrode using silver nanowires for organic photovoltaics. ACS Applied Energy Materials. 2023;6(21):11168-11178. DOI:10.1021/acsaem.3c02001
30. Abyzov AM, Ivanova EA, Smirnov EP. Raman spectroscopic study of sp2-carbon materials. Neorganicheskiye materialy = Inorganic Materials. 1987;23(10):1664-1668. (In Russ.)
31. Kamel MSA, Oelgemöller M, Jacob MV. Chemical vapor deposition-grown graphene transparent conducting electrode for organic photovoltaics: advances towards scalable transfer-free synthesis. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2024;203:114740. DOI:10.1016/j.rser.2024.114740
32. Ferrari AC, Robertson J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon. Physical Review B. 2001;64(7):075414. DOI:10.1103/PhysRevB.64.075414
33. Chernyak SA, Ivanov AS, Stolbov DN, Egorova TB, et al. N-doping and oxidation of carbon nanotubes and jellyfish-like graphene nanoflakes through the prism of Raman spectroscopy. Applied Surface Science. 2019;488:51-60. DOI:10.1016/j.apsusc.2019.05.243
34. Scardaci V, Compagnini G. Raman spectroscopy data related to the laser induced reduction of graphene oxide. Data in Brief. 2021;38:107306. DOI:10.1016/j.dib.2021.107306
35. Radoń A, Włodarczyk P, Łukowiec D. Structure, temperature and frequency dependent electrical conductivity of oxidized and reduced electrochemically exfoliated graphite. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018;99:82-90. DOI:10.1016/j.physe.2018.01.025
36. Pimenta MA, Dresselhaus G, Dresselhaus MS, Cançado LG, et al. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy. Physical Chemistry Chemical Physics. 2007;9(11):1276-1290. DOI:10.1039/B613962K
37. Eckmann A, Felten A, Mishchenko A, Britnell L, et al. Probing the nature of defects in graphene by Raman spectroscopy. Nano Letters. 2012;12(8):3925-3930. DOI:10.1021/nl300901a
38. Wu JB, Lin ML, Cong X, Liu HN, et al. Raman spectroscopy of graphene-based materials and its applications in related devices. Chemical Society Reviews. 2018;47(5):1822-1873. DOI:10.1039/C6CS00915H
39. Anusuya T, Pathak DK, Kumar R, Kumar V. Deconvolution and quantification of defect types from the first order Raman spectra of graphene oxide derivatives. FlatChem. 2022;35:100422. DOI:10.1016/j.flatc.2022.100422
40. Cheng Y, Yang L, Fang C, Guo X. Cocarbonization behavior of petroleum pitch/graphene oxide: influence on structure and mechanical property of resultant cokes. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2016;122:387-394. DOI:10.1016/j.jaap.2016.08.019
Рецензия
Для цитирования:
Балабанов Р.Д., Дьячкова Т.П., Федюшкина А.Г., Гутник И.В., Титов Г.А., Буракова Е.А., Туголуков Е.Н. Влияние добавок оксида графена на структуру наполнителя и физико-механические свойства углеграфитового нанокомпозита. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2025;10(1):19-31. https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-01-019-031
For citation:
Balabanov R.D., Dyachkova T.P., Fedyushkina A.G., Gutnik I.V., Titov G.A., Burakova E.A., Tugolukov E.N. Influence of graphene oxide additives on the filler structure and the physical and mechanical properties of carbon-graphite nanocomposite. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2025;10(1):19-31. https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-01-019-031
JATS XML















