Влияние добавок оксида графена на структуру наполнителя графит/нитрид бора и триботехнические характеристики антифрикционного материала

Проведена оценка влияния добавок оксида графена (ОГ) на структуру гибридного наполнителя графит/гексагональный нитрид бора и триботехнические характеристики антифрикционных композитов, полученных на его основе. Методика приготовления нанокомпозитов включала получение наполнителя (шихты) посредством механической активации компонентов, горячее смешивание шихты с высокотемпературным каменноугольным пеком, прессование и высокотемпературный обжиг. Для придания герметичности на финальной стадии изделия подвергались пропитке раствором фурфурилового спирта с последующей полимеризацией при 300 °С. Образцы шихты изучали методами термогравиметрии и рентгенофазового анализа. Установлено, что при увеличении содержания ОГ до 2,80 мас. % термическая стабильность шихты росла, а после снижалась. Зависимость параметров кристаллической структуры компонентов наполнителя (L_c и N) от концентрации ОГ также имела экстремальный характер. Образец шихты, содержащей 1,64 мас. % оксида графена, характеризовался максимальными значениями L_c и N для нитрида бора и минимальными – для графитового компонента. Кроме того, наполнитель данного состава демонстрировал максимальную сорбционную емкость по пеку, что способствует формированию высокоплотного и прочного материала. Готовый нанокомпозит демонстрировал газопроницаемость менее 1´10^–5 см²/с и прочность при сжатии, равную 197,5 МПа, что в 1,5 раза выше, чем у аналога (НИГРАН-В). В результате стендовых испытаний установлено, что за счет введения в состав наполнителя оксида графена интенсивность износа снижается в 16 раз по сравнению с образцом на основе немодифицированной шихты. Нанокомпозит оптимального состава остается герметичным в экстремальных условиях эксплуатации и может являться основой для создания высокоплотных и сверхпрочных антифрикционных материалов, пригодных для использования в герметичных узлах трения насосных и компрессорных систем.

1. Chen F, Yan K, Hong J, Song J. Synergistic effect of graphene and β-Si3N4 whisker enables Si3N4 ceramic composites to obtain ultra-low friction coefficient. Tribology International. 2023;178:108045. DOI:10.1016/j.triboint.2022.108045

2. Nayak UP,Mücklich F, Guitar MA. Interplay between the microstructure and tribological performance of a destabilized 26 wt. % Cr HCCI: the influence of temperature and heating rate. Tribology International. 2023;185:108532. DOI:10.1016/j.triboint.2023.108532

3. Liu SH, Liang TH, Wang WG, Zhang BJ, et al. Tribological properties of graphene-reinforced graphite in high-temperature and high-pressure water. Wear. 2025;568-569:205967. DOI:10.1016/j.wear.2025.205967

4. Gong X, Chen H, Zhang F, Zhu W, et al. Degradation of tensile mechanical properties of two AlxCoCrFeNi (x = 0.3 and 0.4) high-entropy alloys exposed to liquid lead-bismuth eutectic at 350 and 500 °C. Journal of Nuclear Materials. 2022;558:153364. DOI:10.1016/j.jnucmat.2021.153364

5. Liang G, Zhang J, An S, Tang J, et al. Phase change material filled hybrid 2D/3D graphene structure with ultra-high thermal effusivity for effective thermal management. Carbon. 2021;176:11-20. DOI:10.1016/j.carbon.2020.12.046

6. Tofighy MA, Mohammadi T. Barrier, diffusion, and transport properties of rubber nanocomposites containing carbon nanofillers. In: Carbon-Based Nanofillers and Their Rubber Nanocomposites. Elsevier; 2019. p. 253-285. DOI:10.1016/B978-0-12-817342-8.00009-3

7. Wang R, Zhang F, Yang K, Xiong Y, et al. Review of two-dimensional nanomaterials in tribology: recent developments, challenges and prospects. Advances in Colloid and Interface Science. 2023;321:103004. DOI:10.1016/j.cis.2023.103004

8. Baiti A, Aldavud S, Algurabi A, Salhi H, et al. Modification of lubricants with graphite nanoplates. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023;8(2):157-169. DOI:10.17277/jamt.2023.02.pp.157-169

9. Gao Q, Liu S, Hou K, Li Z, et al. Graphene-based nanomaterials as lubricant additives: a review. Lubricants. 2022;10(10):273. DOI:10.3390/lubricants10100273

10. Yu H, He Y, Xiao G, Fan Y, et al. The roles of oxygen-containing functional groups in modulating water purification performance of graphene oxide-based membrane. Chemical Engineering Journal. 2020;389:124375. DOI:10.1016/j.cej.2020.124375

11. Moazzami Gudarzi M, Sharif F. Enhancement of dispersion and bonding of graphene-polymer through wet transfer of functionalized graphene oxide. Express Polymer Letters. 2012;6(12):1017-1031. DOI:10.3144/expresspolymlett.2012.107

12. Kukielski M, Kasprzak A, Zurowski R, Tanska J, et al. Functionalization of graphene oxide surface by conjugation with glucosamine and analysis of interactions occurring in nanoceramic-graphene heterostructures. Powder Technology. 2024;431:119089. DOI:10.1016/j.powtec.2023.119089

13. Wakchaure MB, Menezes PL. Advances in the tribological performance of graphene oxide and its composites. Materials. 2025;18(15):3587. DOI:10.3390/ma18153587

14. Sun J, Du S. Application of graphene derivatives and their nanocomposites in tribology and lubrication: a review. RSC Advances. 2019;9(69):40642-40661. DOI:10.1039/C9RA05679C

15. Ashfaq J, Channa IA, Memon AG, Chandio IA, et al. Enhancement of thermal and gas barrier properties of graphene-based nanocomposite films. ACS Omega. 2023;8(44):4105441063. DOI:10.1021/acsomega.3c02885

16. Bilisik K, Akter M. Polymer nanocomposites based on graphite nanoplatelets (GNPs): a review on thermal-electrical conductivity, mechanical and barrier properties. Journal of Materials Science. 2022;57(15):7425-7480. DOI:10.1007/s10853-022-07092-0

17. Zhao L, Peng R, Gao J, Li Y, et al. Strengthening mechanism of tribological properties of graphene oxide/multiwalled carbon nanotubes hybrid nanofluids: Molecular dynamics and experimental validation. Journal of Colloid and Interface Science. 2025;689:137154. DOI:10.1016/j.jcis.2025.02.162

18. Yang K, Xiong Y, Wu G, Lin H, et al. Multi-dimensional nano-additives for their superlubricity: tribological behaviors and lubrication mechanisms. Advanced Materials Interfaces. 2025;12(9):2400796. DOI:10.1002/admi.202400796

19. Balabanov R, Dyachkova T, Fedyushkina A, Gutnik I, et al. 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. DOI:10.17277/jamt-2025-10-01-019-031

20. Samanta S, Sahoo RR. Covalently linked hexagonal boron nitride-graphene oxide nanocomposites as high-performance oil-dispersible lubricant additives. ACS Applied Nano Materials. 2020;3(11):10941-10953. DOI:10.1021/acsanm.0c02193

21. Uz Zaman A, Abdul Karim MR, Hussain A, Khan MA, et al. Graphite and white graphite (h-BN) reinforced metal matrix composites and cermets: a review of processing and properties. Advances in Materials and Processing Technologies. 2026;12(1):222-247. DOI:10.1080/2374068X.2025.2594440

22. Yu J, Zhao W, Wu Y, Wang D, et al. Tribological properties of epoxy composite coatings reinforced with functionalized C-BN and H-BN nanofillers. Applied Surface Science. 2018;434:1311-1320. DOI:10.1016/j.apsusc.2017.11.204

23. Liu Y, Wang K, Xu Q, Zhang J, et al. Superlubricity between graphite layers in ultrahigh vacuum. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020;12(38):43167-43172. DOI:10.1021/acsami.0c05422

24. Ouyang JH, Li YF, Zhang YZ, Wang YM, et al. High-temperature solid lubricants and self-lubricating composites: a critical review. Lubricants. 2022;10(8):177. DOI:10.3390/lubricants10080177

25. Srivyas PD, Charoo MS. Nano lubrication behaviour of graphite, h-BN and graphene nano platelets for reducing friction and wear. Materials Today: Proceedings. 2021;44:7-11. DOI:10.1016/j.matpr.2020.04.785

26. Eswaran MK, Riyas ZM, Asaithambi T. Exploring the synergistic effect of two-dimensional (2D) layered MoS2/GO/h-BN ternary nanocomposite as an electrode material for asymmetric supercapacitor application. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2025;36(14):850. DOI:10.1007/s10854-025-14883-z

27. Zhang N, Zhang Y, Li S, Guo L, et al. 3D structurally advanced graphene oxide/h-BN hybrid for solid self-lubrication with enhanced thermal conductivity. Tribology International. 2022;176:107918. DOI:10.1016/j.triboint.2022.107918

28. Gupta MK, Bijwe J. Combination of nanoparticles of graphite and hexagonal boron nitride as anti-wear and extreme-pressure additives- On exploring the possibility of synergism. Surface Topography: Metrology and Properties. 2020;8(2):025025. DOI:10.1088/2051-672X/ab958d

29. Chen B, Dong W, Shi W, Li X, et al. Enhanced mechanical and tribological performance of epoxy nanocomposite coating by non-covalent bonded h-BN nanosheets/graphene oxide. Progress in Organic Coatings. 2024;197:108826. DOI:10.1016/j.porgcoat.2024.108826

30. Yang W, Luo R, Hou Z. Effect of interface modified by graphene on the mechanical and frictional properties of carbon/graphene/carbon composites. Materials. 2016;9(6):492. DOI:10.3390/ma9060492

31. Dhairiyasamy R, Bassi W, Algethami AA, Saleh B, et al. Advanced epoxy composites for tribological applications: investigating the role of hybrid ceramic and lubricant fillers. Polymer Testing. 2025;150:108932. DOI:10.1016/j.polymertesting.2025.108932

32. Li B, Zhou X, Huang J, Huang Q, et al. Investigation of multi-scale fillers on tribological properties of UHMWPE composites for water-lubricated bearings. Tribology International. 2025;212:110961. DOI:10.1016/j.triboint.2025.110961

33. Fan S, Zhang L, Xu Y, Cheng L, et al. Microstructure and tribological properties of advanced carbon/silicon carbide aircraft brake materials. Composites Science and Technology. 2008;68(14):3002-3009. DOI:10.1016/j.compscitech.2008.06.013

34. Eliseev YS, Skvortsov MA, Efremov AA, Sankin AE, Vasiliev YN. Method for producing graphitized material. Russian Federation patent 2,374,174 C2. 27 November 2009. (In Russ.)

35. Samoilov VM, Samsonova VB, Nakhodnova AV, Verbets DB, et al. Raman spectroscopy and crystalline structure of polyacrylonitrile-based carbon fibres. Advanced Materials & Technologies. 2019;3(15):008-015. DOI:10.17277/amt.2019.03.pp.008-015

36. Memetova A, Tyagi I, Rao Karri R, Suhas, et al. High-density nanoporous carbon materials as storage material for methane: A value-added solution. Chemical Engineering Journal. 2022;433:134608. DOI:10.1016/j.cej.2022.134608

37. Pankov MI, Kulakov VV, Lavruhin SP, Luchkin MS. Method for producing self-lubricating material based on artificial finegrained graphite. Russian Federation patent 2,748,329 C1. 24 May 2021. (In Russ.)