СИНТЕЗ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНОВЫХ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

В этой статье рассматривается синтез графеновых наноструктур и их трибологические свойства для применения в космических технологиях. Приведены результаты экспериментов по синтезу графена методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). В результате серии экспериментов, проведенных с целью получения оптимальных технологических параметров для получения высококачественного графена, определены оптимальные параметры синтеза, такие как температура (1000 °C) и соотношение газов (0,5/200 см³/мин). Также представлены результаты, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), подтверждающие высокое качество синтезированных наноструктур и их однородное распределение. По результатам рамановской спектроскопии, проведенной с целью оценки качества наноструктур, установлено, что синтезированные наноструктуры являются графеном и соотношение I2D/IG равно 1,89. Анализ показал, что полученные графены имеют однослойную структуру. Трибологические эксперименты показали, что графеновое покрытие существенно снижает коэффициент трения по сравнению с обычной сталью. Полученные результаты подтвердили высокую эффективность графенового покрытия как при использовании смазочных материалов, так и в условиях сухого трения. Это открывает возможности для повышения эффективности работы трибологических систем и продления их срока службы. Дальнейшие исследования будут направлены на совершенствование методов синтеза и оценку прочностных характеристик графеновых наноструктур в условиях космической эксплуатации.

1. Ghidini, T. Materials for Space Exploration and Settlement. Nat. Mater., 17, 846–850 (2018).

2. Chaitanya Giri, T., Steele, A., Fries, M. Evidence for protosolar graphene in Allende and QUE 94366 CV3 meteorites. Planet. Space Sci. 2021, 203.

3. Merino, P., Svec, M., Martinez, J.I., Jelinek, P., Lacovig, P., Dalmiglio, M., Lizzit, S., Soukiassian, P., Cernicharo, J., Martin-Gago, J.A. Graphene etching on SiC grains as a path to interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons formation. Nat. Commun., 5, 3054 (2014).

4. Chen, X.H., Li, A., Zhang, K. On graphene in the interstellar medium. Astrophys. J., 850, 104 (2017).

5. Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morozov, S.V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S.V., Grigorieva, I.V., Firsov, A.A. Discover of graphene: Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306, 666–669 (2004).

6. Bhuyan, M.S.A., Uddin, M.N., Islam, M.M., Bipasha, F.A., Hossain, S.S. Synthesis of graphene. Int. Nano Lett., 6, 65–83 (2016).

7. Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morozov, S.V., Jiang, D.A., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Grigorieva, I.V., Firsov, A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306, 666-669 (2004).

8. Yu, Q., Lian, J., Siriponglert, S., Li, H., Chen, Y.P., Pei, S.-S., Siriponglert, S. Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators. Appl. Phys. Lett., 93, 113103 (2020).

9. Reina, A., Jia, X., Ho, J., Nezich, D., Son, H., Bulovic, V., Dresselhaus, M. S., Kong, J. Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition. Nano Lett., 9, 3087 (2018).

10. Kim, K.S., Zhao, Y., Jang, H., Lee, S.Y., Kim, J.M., Kim, K.S., Ahn, J.-H., Kim, P., Choi, J.-Y., Hong, B.H. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature, 457, 706-710 (2009).

11. Li, X., Cai, W., An, J., Kim, S., Nah, J., Yang, D., Piner, R., Velamakanni, A., Jung, I., Tutuc, E., et al. Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science, 324, 1312-1314 (2009).

12. Partizan G. et al 2016 Mater. Res. Express 3 115010.

13. Ferrari, A.C., Meyer, J.C., Scardaci, V., Casiraghi, C., Lazzeri, M., Mauri, F., Piscanec, S., Jiang, D., Novoselov, K.S., Roth, S., Geim, A.K. Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers. Phys. Rev. Lett., 97, 187401 (2006).

14. Saito, R., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Jorio, A., Dresselhaus, M.S. Raman spectroscopy of graphene and carbon nanotubes. http://www.tandfonline.com/ loi/tadp20.

15. Nguyen, V.T., Le, H.D., Nguyen, V.C., Ngo, T.T.T., Le, D.Q., Nguyen, X.N. and Phan, N.M. Synthesis of multi-layer graphene films on copper tape by atmospheric pressure chemical vapor deposition method. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol, 4, 035012 (5pp) (2013).

16. Ren, Y., Zhu, C., et. al. An improved method for transferring grapheme grown by chemical vapor deposition. Brief Reports and Reviews., 7 (1), 1150001 (6 pp) (2012).

17. Berman, D., Erdemir, A., Sumant, A.V. Graphene: A new emerging lubricant. Materials Today, 18 (5), 253–264 (2015).

18. Li, H., Xu, T., Zhang, Z. Wear resistance and frictional properties of graphene-based coatings under different conditions. Wear, 452, 203–211 (2020).

19. Song, H., Wang, X., Zhou, F. Solid lubricants: Recent developments and applications. Tribology International, 129, 333–344 (2018).

20. Fang, L., Cui, Z., Wang, W. Lubrication performance of graphene as a lubricant additive. Wear, 384, 119–123 (2017).