Ion-Beam Surface Modification of Carbon Fibers
- Авторлар: Andrianova N.1, Borisov A.1,2, Mashkova E.3, Ovchinnikov M.3, Suminov I.2
-
Мекемелер:
- Moscow Aviation Institute (National research university)
- Moscow State University of Technology “STANKIN”
- Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State University
- Шығарылым: № 4 (2023)
- Беттер: 10-24
- Бөлім: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/1028-0960/article/view/137733
- DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023040027
- EDN: https://elibrary.ru/JUAKZG
- ID: 137733
Дәйексөз келтіру
Аннотация
Carbon fibers are used in the production of automobiles, airplanes, sporting goods, energy, and biomedicine due to their unique properties such as high specific strength, high specific tensile strength, low coefficient of thermal expansion, and low density. The research and development of both the technology of carbon fibers production and their modification for a wide range of applications have been and remain relevant. The summary of the accumulated experience in the modification of carbon fibers shows that ion-beam treatment allows to obtain a variety of geometry of the developed surface topography, in particular, whisker-shaped and corrugated oriented across or along the fiber. Such processing compares favorably with ordinary fiber whiskering both by a variety of geometry of the composite interface, and by the absence of the problem of whisker-fiber adhesion. Ion-beam treatment also makes it possible to modify the surface layer structure from amorphized to ordered with different degrees of graphitization. Irradiation with chemically active ions leads to functionalization of carbon fiber due to formation, for example, of nitrides and carbon oxides. The choice of nitrogen ions for the technology of carbon-carbon and carbon-ceramic composites seems to be more preferable due to less stringent requirements for the temperature of the irradiated fiber. For ion-beam corrugation of polyacrylonitrile-based carbon fiber surface, only its heating above the temperature of dynamic annealing of radiation damage is required. The use of helium ions in technological plasma acceleration systems leads to a significant efficiency increase in ion-beam processing.
Авторлар туралы
N. Andrianova
Moscow Aviation Institute (National research university)
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 125993, Moscow
A. Borisov
Moscow Aviation Institute (National research university); Moscow State University of Technology “STANKIN”
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 125993, Moscow; Russia, 127055, Moscow
E. Mashkova
Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State University
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 119997, Moscow
M. Ovchinnikov
Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State University
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 119997, Moscow
I. Suminov
Moscow State University of Technology “STANKIN”
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 127055, Moscow
Әдебиет тізімі
- Нагорный В.Г., Котосонов А.С., Островский В.С., Дымов Б.К., Лутков А.И., Ануфриев Ю.П., Барабанов В.Н., Белогорский В.Д., Кутейников А.Ф., Виргильев Ю.С., Соккер Г.А. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник / Под ред. В.П. Соседова. М.: Металлургия, 1975. 336 с.
- Островский В.С., Виргильев Ю.С., Костиков В.И., Шипков Н.Н. Искусственный графит. М.: Металлургия, 1986. 272 с.
- Фитцер Э., Дифендорф Р., Калнин И., Ягер X., Хейес Б., Стензенбергер К., Адаме Д., Брунш К., Бергман X., Гастингс Г., Нагабхушанам Т., Зенг X., Ким С., Ри Б. Углеродные волокна и углекомпозиты. Пер. с англ. / Ред. Э. Фитцер. М.: Мир, 1988. 336 с.
- Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Sugihara K., Spain I.L., Goldberg H.A. // Graphite Fibers and Filaments. Springer Series in Materials Science. Volume 5. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1988. 382 p. https://www.doi.org/10.1007/978-3-642-83379-3
- Pierson H.O. Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes. Noyes Publ., Park Ridge NJ, 1993. 415 p.
- Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект Пресс, 1997. 718 с.
- Virgil’ev Yu.S. Kalyagina I.P. // Inorganic Materials. 2004. V. 40. Suppl. 1. P. S33. https://www.doi.org/10.1023/B:INMA.0000036327. 90241.5a
- Варшавский В. Я. Углеродные волокна М.: Варшавский, 2007. 500 с.
- Мэтьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М.: Техносфера, 2004. 408 с.
- Gibson R.F. // Compos. Struct. 2010. V. 92. P. 2793. https://www.doi.org/10.1016/j.compstruct.2010.05.003
- Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты. М.: САЙН-ПРЕСС, 2007. 192 с.
- Yun G., Tang S.-Y., Lu H., Zhang S., Dickey M.D., Li W. // Small Sci. 2021. V. 1. Iss. 6. P. 2000080. https://www.doi.org/ 10.1002/smsc.202000080
- Черненко Н.М. // Перспективные материалы. 1999. № 6. С. 78.
- Черненко Н.М. // Современные проблемы производства и эксплуатации углеродной продукции. Челябинск: Библиотека А. Миллера, 2000. С. 217.
- Черненко Д.Н., Черненко Н.М. Щербакова Т.С. Грудина И.Г. Углеродкерамический волокнисто-армированный композиционный материал и способ его получения // Патент RU № 2684538. Опубл. 09.04.2019.
- Sager R.J., Klein P.J., Lagoudas D.C., Zhang Q., Liu J., Dai L. // Compos. Sci. Technol. 2009. V.69. P. 898. https://www.doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.12.021
- Garcia E.J., Wardle B.L., Hart A.J., Yamamonj N. // Compos. Sci. Technol. 2008. V. 68. № 9. P. 2034. https://www.doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.02.028
- Sharma S.P., Lakkad S.C. // Surf. Coat. Technol. 2010. V. 205. P. 350. https://www.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.06.055
- Wickss S.S., Guzman R., Wardle B.L. // Compos. Sci. Technol. 2010. V. 70. P. 20. https://www.doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.09.001
- Song Q., Li K.-Z., Li H.-L., Li H.-J., Chang R. // Carbon 2012. V. 50. P. 3949. https://www.doi.org/10.1016/j.carbon.2012.03.023
- Wu S., Liu Y., Ge Y., Ran L., Peng K, Yi M. // Composites A. 2016. V. 90. P 480. https://www.doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.08.023
- Kinloch I.A., Suhr J., Lou J., Young R.J., Ajayan P.M. // Science. 2018. V. 362. P. 547. https://www.doi.org/10.1126/science.aat7439.
- Chechenin N.G., Chernykh P.N., Vorobyeva E.A., Timofeev O.S. // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 275. P. 217. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.12.162
- Воробьева Е.А., Макаренко И.В., Макунин А.В., Трифонов В.А., Чеченин Н.Г. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2015. № 8. С. 29. https://www.doi.org/10.7868/S020735281508017X
- Kobzev V.A., Chechenin N.G., Bukunov K.A., Vorobyeva E.A., Makunin A.V. // Materials Today: Proceedings. 2018. V. 5. № 12. P. 26096. https://www.doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.036
- Kushkina K.D., Shemukhin A.A., Vorobyeva E.A., Bukunov K.A., Evseev A.P., Tatarintsev A.A., Maslakov K.I., Chechenin N.G., Chernysh V.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 430. P. 11. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2018.05.038
- Новиков Л.С., Воронина Е.Н., Черник В.Н., Чеченин Н.Г., Макунин А.В., Воробьева Е.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 6. С. 49. https://www.doi.org/10.7868/S0207352816060147
- Vorobyeva E.A., Chechenin N.G., Makarenko I.V., Kepman A.V. // J. Composites Sci. 2017. V. 1. № 6. https://www.doi.org/10.3390/jcs1010006
- Vorobyeva E.A., Evseev A.P., Petrov V.L., Shemukhin A.A., Chechenin N.G. // Moscow University Physics Bull. 2021. V. 76. № 1. P. 29. https://www.doi.org/10.3103/s0027134921010112
- Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. Amsterdam: North-Holland, 1985. 444 p.
- Лигачева Е.А., Галяева Л.В., Гаврилов Н.В. // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. С. 46.
- Ivanov M.V., Gavrilov N.V., Belyh T.A., Ligacheva E.A., Galijeva L.V., Ligachev A.E., Sohoreva V.V. // Surf. Coat. Technol. 2007. V. 201. P. 8326. https://www.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.12.034
- Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Немов А.С., Питиримова Е.А., Тимофеев М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2008. № 5. С. 59
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.C., Virgiliev Yu.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2009. V. 267. P. 2778. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2009.05.021
- Авилкина В.С., Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Питиримова Е.А., Тимофеев М.А. // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 5. С. 21.
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Virgiliev Yu.S. // J. Spacecraft Rockets. 2011. V. 48. P. 45. https://www.doi.org/10.2514/1.49462
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Virgiliev Yu.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2011. V. 269. P. 861. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2010.12.063
- Авилкина В.С., Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2012. № 8. С. 3
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Parilis E.S., Virgiliev Yu.S. // Horizons in World Physics. NY, USA: Nova Science Publishers, Inc., 2013. V. 280. P. 171
- Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Петров Д.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2014. № 6. С. 6.
- Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Машкова Е.С., Шульга В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 4. С. 51.
- Аникин В.А., Борисов А.М., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Приборы. 2017. № 12. С. 46.
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Kazakov V.A., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Savushkina S.V., Chernenko N.M. // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 941. P. 012028. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/941/1/012028
- Андрианова Н.Н., Аникин В.А. Борисов А.М., Машкова Е.С., Казаков В.А., Овчинников М.А., Савушкина С.В. // Изв. РАН. Сер. физич. 2018. Т. 82. № 2. С. 140.
- Аникин В.А., Борисов А.М., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т.9. № 2. С. 122.
- Borisov A.M., Chechenin N.G., Kazakov V.A., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2019. V. 460. P. 132. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2019.03.045
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Makunin A.V., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1396. P. 012003. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1396/1/012003
- Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Казаков В.А., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 3. С. 20.
- Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Казаков В.А., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Изв. РАН. Сер. физич. 2020. Т. 84. № 6. С. 857.
- Andrianova N.N., Anikin V.A., Borisov A.M., Gorina V.A., Makunin A.V., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Cheblakova E.G., Sleptsov V.V. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1313. P. 012001. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1313/1/012001
- Андрианова Н.Н., Бейлина Н.Ю., Борисов А.М., Машкова Е.С., Черненко Д.Н., Черненко Н.М. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2014. № 3. С. 15.
- Андрианова Н.Н., Бейлина Н.Ю., Борисов А.М., Машкова Е.С., Черненко Д.Н., Черненко Н.М. // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 23. № 1. С. 85.
- Borisov A.M., Makunin A.V., Mashkova E.S., Kazakov V.A., Ovchinnikov M.A., Sleptsov V.V. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1121. P. 012008. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1121/1/012008.
- Anikin V.A., Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Savushkina S.V., Chernenko D.N., Chernenko N.M. // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 941. P. 012029. https://www.doi.org/:10.1088/1742-6596/941/1/012029
- Borisov A.M., Gorina V.A., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Cheblakova E.G., Chernenko D.N., Chernenko N.M. // Materials Today: Proceedings. 2018. V. 5. P. 26058. https://www.doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.029
- Черненко Н.М., Черненко Д.Н., Бейлина Н.Ю., Елизаров П.Г., Борисов А.М., Машкова Е.С., Андрианова Н.Н. // Патент RU № 2 560 362. Опубл. 20.08.2015.
- Борисов А.М., Андрианова Н.Н., Аникин В.А., Машкова Е.С., Овчинников М.А., Черненко Д.Н., Черненко Н.М., Шульгина Ю.М. // Патент RU № 2 689 584. Опубл.: 28.05.2019.
- Borisov A.M., Mashkova E.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2007. V. 258. P. 109. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2006.12.078
- Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2008. № 1. С. 58.
- Платонов П.А., Штромбах Я.И., Карпухин В.И., Виргильев Ю.С., Чугунов О.К., Трофимчук Е.И. // Атомноводородная энергетика и технология. Вып. 6. М.: Энергоатомиздат, 1984. С. 77.
- Виргильев Ю.С., Чугунова Т.К., Макарченко В.Г., Муравьева Е.В. // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. 1984. Т. 20. № 8. С. 1378.
- Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Высотина Е.А., Тимофеев М.А., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 3. С. 24.
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Timofyev M.A., Vysotina E.A. // Vacuum. 2021. V. 188. P. 110177. https://www.doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110177
- Andrianova N.N., Borisov A.M., Makunin A.V., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Vysotina E.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1713. P. 012005. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1713/1/012005
- Борисов А.М., Машкова Е.С., Тимофеев М.А., Овчинников М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 5. С. 26.