Abstract: This paper investigates the creation of amorphous metals, known as metallic glasses, based on pyrolyzed polyacrylonitrile (PPAN) with the addition of cobalt and boron. Amorphous metals are characterized by the absence of an ordered crystal structure, which gives them unique physical and mechanical properties. However, their instability during heating requires the use of amorphous additives such as boron, which improves the toughness and strength of the composite, as well as contributes to the formation of a more homogeneous matrix. In the course of the study, calculations were performed using the DFT method, showing the possibility of introducing a cobalt atom into the PPAN structure and its interaction with boron atoms. The results demonstrate that boron significantly improves the performance characteristics of metal composites, increasing their heat resistance and strength. The work highlights the importance of amorphizing additives in the development of new materials with specified properties, which opens up prospects for their use in various industries, including the aerospace and automotive industries.
Keywords: amorphous metals, metallic glasses, metal composites, pyrolyzed polyacrylonitrile, cobalt, boron, amorphizing additives, mechanical properties, heat resistance, materials, materials with specified properties.
Создание аморфных металлов, также известных как металлические стекла, представляет собой интересную область материаловедения. Аморфные металлы отличаются от кристаллических металлов отсутствием упорядоченной кристаллической структуры, что придаёт им уникальные физические и механические свойства. Аморфное состояние чистых металлов нестабильно, поэтому в состав композитов включают определенные неметаллические элементы — аморфизирующие добавки, такие как кремний, бор, углерод и фосфор [1]. Эти дополнительные элементы повышают ударную вязкость и прочность композита, что делает его более устойчивым к механическим повреждениям, при .этом уменьшается хрупкость материала, они способствуют лучшему сцеплению между полимерной матрицей и металлическими наполнителями, что в свою очередь улучшает общую прочность композита [2-3]. В работе исследуется металлокомпозит – пиролизованный полиакрилонитрил/кобальт [4-10] и аморфизирующий элемент — бор. Бор может образовывать аморфные структуры, что позволяет улучшать механические свойства композитов, он способствует образованию более однородной матрицы, что снижает вероятность образования трещин и дефектов, также он обладает высокой термостойкостью, что делает металополимерные композиты более устойчивыми к высоким температурам. Бор может повышать прочность композитов за счет улучшения адгезии между полимерной матрицей и металлическими наполнителями, а также за счет формирования прочных боридов при взаимодействии с металлами.
Таким образом, бор как аморфизирующий элемент может значительно улучшить эксплуатационные характеристики металлокомпозитов на основе полимеров, что делает его ценным компонентом в разработке новых материалов.
References
1. Pyrolyzed Polyacrylonitrile Based Composite with Amorphizing Silicon Additives / O. Kakorina, I. Zaporotskova, I. Kakorin [et al.] // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies, MWENT 2020 - Proceedings, Moscow, 11–13 марта 2020 года. – Moscow, 2020. – P. 9067360. – DOI 10.1109/MWENT47943.2020.9067360.2. Металлокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила с примесями тройного соединения переходных металлов / О. А. Какорина, И. В. Запороцкова, И. А. Какорин, Д. П. Радченко // Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение (GRS-2019) : Материалы III Международной научно-практической конференции, Тамбов, 13–15 ноября 2019 года. – Тамбов: ИП Чеснокова А.В., 2019. – С. 222-223.
3. Давлетова, О. А. Структура и электронные характеристики пиролизованного полиакрилонитрила : специальность 05.27.01 "Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах" : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Давлетова Олеся Александровна. – Волгоград, 2010. – 17 с.
4. Metal-Polymer Nanocomposites Based on Pyrolyzed Polyacrylonitrile with Fe–Ni–Co Inclusions / I. V. Zaporotskova, O. A. Kakorina, N. P. Boroznina [et al.] // Russian Physics Journal. – 2021. – Vol. 63, No. 11. – P. 1909-1915. – DOI 10.1007/s11182-021-02250-4.
5. Simulation of pyrolysed polyacrylonitrile based composite with amorphising boron additives / O. A. Kakorina, I. V. Zaporotskova, I. A. Kakorin, L. V. Kozhitov // Journal of Physics: Conference Series : Applied Mathematics, Computational Science and Mechanics: Current Problems, Voronezh, 11–13 ноября 2019 года. – Bristol: Institute of Physics Publishing, 2020. – P. 012131. – DOI 10.1088/1742-6596/1479/1/012131.
6. Davydova, E. S. Electrocatalytic and capacitive properties of pyrolized polyacrylonitrile nanofibers synthesized by electrospinning / E. S. Davydova, A. Y. Rychagov, I. I. Ponomarev // Russian Journal of Electrochemistry. – 2013. – Vol. 49, No. 10. – P. 1010-1011. – DOI 10.1134/S1023193513100066.
7. Nanostructured carbon materials based on IR-pyrolized polyacrylonitrile / G. P. Karpacheva, L. M. Zemtsov, K. A. Bagdasarova [et al.] // NATO Security through Science Series A: Chemistry and Biology. – 2007. – P. 577-586. – DOI 10.1007/978-1-4020-5514-0_74.
8. Semenistaya, T. V. Study of the properties of Cu-containing polyacrylonitrile nanostructured gas-sensing films / T. V. Semenistaya // Materials Physics and Mechanics. – 2018. – Vol. 37, No. 2. – P. 109-117. – DOI 10.18720/MPM.3722018-1.
9. Potentials of Polyacrylonitrile Substitution by Lignin for Continuous Manufactured Lignin/Polyacrylonitrile-Blend-Based Carbon Fibers / D. S. J. Wolz, R. Seidel-Greiff, T. Behnisch [et al.] // Fibers. – 2024. – Vol. 12, No. 6. – P. 50. – DOI 10.3390/fib12060050.
10. Rheological behavior of polyacrylonitrile and polyacrylonitrile/lignin blends / H. C. Liu, C. C. Tuan, A. A. Bakhtiary Davijani [et al.] // Polymer. – 2017. – Vol. 111. – P. 177-182. – DOI 10.1016/j.polymer.2017.01.043.