Стремительное развитие нанотехнологий, создание и использование наноматериалов в конструирование изделий, требуют решения ряда проблем, связанных с определением их долговечности, надежности и устойчивости физико-химических свойств.
Графен, двумерный монослой sp2– связанных атомов углерода, привлекает все большее внимание в последние годы, главным образом из-за его необычайно высокой электрической и термальной проводимости, механической прочность и большой удельной площади поверхности. Графен очень прочен и гибок. Он уникален тем, что способен проявлять свойства как проводника, так и полупроводника. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах [1].
С материаловедческой точки зрения однослойный графен – это не материал, а вещество; больше того, это отдельная молекула и, надо сказать, не самая большая из известных. С химической точки зрения однослойный графен – это полимер, причём всего одна молекула полимера с массой около одного пикограмма (рисунок) [2].
3D-зонная структура графена [3]
Взаимное влияние графена и металлосодержащих наночастиц может привести к созданию новых материалов, обладающих сверхновыми свойствами. Наночастицы металлов и их оксидов проявляют уникальные свойства, отличные от свойств массивных объектов. При уменьшении размера частиц изменяются тепловые, магнитные, адсорбционные, электрохимические и каталитические характеристики таких материалов, что связано с влиянием размерного фактора [4].
Одним из эффективных подходов в создании новых материалов является нанесение металлов и их оксидов на поверхность различных носителей, что позволяет создать большое число потенциальных центров каталитических, сорбционных и электрохимических реакций [6]. Композиты графена вызывают научный и промышленный интерес из-за возникновения максимума проводимости и активной способности к адсорбции на своей поверхности различные ноночастицы металлов и их оксидов [6].
Одна из ключевых областей в применении передовых методов в производстве материалов на основе графена, это сочетание структурных функций в встроенной электронике с экологической безопасностью.
При исследованиях и испытаниях надежности и долговечности материалов и изделий из них, обычно применяются термостаты, криостаты, термобарокамеры и способы термоциклирования и термобаронагружения в них соответственно, в т.ч. для их ускоренного «старения» [7].
Общепринятые решения проблем надежности и долговечности материалов и изделий из них становятся малоэффективными в случаях с нанометриалами, в связи с чем, требуются принципиально новые вероятностно – физические подходы к решению указанных проблем, т.е. новые методы и средства регистрации нано-, и микро, и макроизменения наноматериалов [8].
Представляется актуальными применение нового метода, синхронно-сопрягающего термический и акустико-эмиссионный анализ, а также создание автоматизированной установки, его реализующей, позволяющих перейти к количественным показателям для оценки долговечности и устойчивости физико-химических свойств в условиях эксплуатации, включая их изменения в результате старения [9].
Для объективации регистрации вышеперечисленных параметров, а также. для повышения достоверности идентификации процессов нано-, микро- и макроизменений в материалах, было предложено синхронизировать с методами термического анализа и электрометрии – метод акустической эмиссии, а сопряжение их с ИК Фурье-спектрометром и микроскопом провести через «кварцевые окна» в термокриостате-электропечи [9], чтобы при анализе продуктов деструкции избавиться от процессов их конденсации на стенках газовых кювет и «температурных проблем» газового анализа (температурных ограничений, поддержания равенства температур отводимых в спектрометр газов и т.д.).
Если сопряжение ИК Фурье-спектрометра с дериватографом является общепринятым решением, например, для идентификации состава продуктов деструкции, то комплексирование методов термического анализа, электрометрии и акустической эмиссии было выполнено нами впервые [10].
Так для определения «порога протекания» и интенсивности процессов нано-, микро- и макродеструкции в материалах, а также вычисления эффективной энергии активации «каналов протекания» в частности, предложено была использовать на 2-х стадийную ая модель излучения акустической эмиссии, описывающую переход от рассеянного к локализованному дефектообразованию, которая дает возможность обнаружения такого перехода по сигналам акустической эмиссии, т.к. фиксирует единичные акты с энергией до 10–15 Дж [11]. Применение этой модели позволяет диагностировать предразрушающее состояние образца в рамках концентрационного критерия разрушения [11–13].
Метод термобароденсиметрии, объединенный с методами электрометрии, акустической эмиссии, ИК Фурье-спектрометрии и микроскопии, при использовании термодинамических акустико-эмиссионных эталонов, позволяет решить проблемы метрологии нано-, микро- и макроизмерений, а также проводить диагностику нано-, микро- и макроматериалов и идентифицировать состояние их «жизненного цикла» с привлечением критериев подобия, что повышает точность и достоверность результатов диагностики, и позволяет получить ценную (во многих случаях безальтернативную) информацию о «старении» материалов [14].
Применение данного метода для анализа структуры старения производных графена позволит определить нанодеструкцию, возникновение структурных изменений и появление дефектов (полостей, дислокаций и т.д.), образующихся под воздействием силовых, температурных и электромагнитных полей. Такая диагностика позволит выявить процессы нанодеструкции, протекающие в композиционных материалах не только с графеном, но и с иммобилизованным материалом на его поверхности. Так например за 24 часа, при использование баро-электро-термо-акустического анализа синхронно вычисляются 38 параметров в режиме ускоренного старения, как за 24 года эксплуатации!