Статья посвящена 75-летию доктору биологических наук, академику Борису Моисеевичу Кершенгольцу.

Создание и применение так называемых умных, многофункциональных и гибридных материалов является одним из актуальных направлений современного материаловедения. В работе приведены результаты механических испытаний, исследований микроструктуры, оценки электрофизических свойств, а также стохастического моделирования разрушения образцов из бетонного композита, модифицированного переработанным вторичным сырьем в виде восстановленного оксида графена. Работы проведены с целью создания материалов повышенной прочности и с заданной электропроводностью. Дан обзор исследований в области создания и моделирования процессов разрушения гибридных материалов. Приведены подходы к оценке напряженного состояния и обосновано применение концепции зоны предразрушения и структурного размера для описания процессов разрушения в квазихрупких материалах. Показано, что высокие прочностные свойства и электропроводность графена позволяют существенно улучшить характеристики гибридного композита при незначительной концентрации модификатора. Образцы для испытаний были изготовлены с добавлением 0,2 и 0,5 мас.% оксида графена. Для исследования структуры и состава использовались электронная сканирующая растровая микроскопия и инфракрасная спектроскопия. Механические испытания показали, что добавление восстановленного оксида графена вызывает увеличение прочности на 48 % при содержании всего 0,5 мас.% оксида графена и снижение электрического сопротивления до 550-600 Ом, при этом снятие нагрузки восстанавливает прежние значения проводимости. Установлено, что модификация бетона графеном улучшает как электрические, так и механические характеристики. Подобные гибридные материалы могут быть применены в системах мониторинга состояния конструкций, самонагревающихся элементах, при заземлении электроопор, с целью повышения надежности и безопасности эксплуатации энергетических комплексов и технических систем в экстремальных климатических условиях Арктики и Субарктики.
The development and application of “smart”, multifunctional, and hybrid materials are among the most significant areas of modern materials science. This article presents the results of mechanical testing, microstructural analysis, evaluation of electrophysical properties, and stochastic modeling of the failure of samples made from a concrete composite reinforced with recycled secondary materials in the form of reduced graphene oxide. The aim of this work was to create materials with increased strength and a given electrical conductivity. An overview of research on the creation and modeling of failure processes in hybrid materials is provided. Approaches for assessing stress states are presented, and the use of the concept of the pre-fracture zone and structural scale to describe failure processes in quasi-brittle materials is justified. It has been shown that the high strength and electrical conductivity properties of graphene can significantly enhance the characteristics of a hybrid composite material with a low concentration of modifier. Concrete samples were prepared with graphene oxide mass fractions of 0.2% and 0.5%. Structural and chemical characterizations were conducted via scanning electron microscopy and infrared spectroscopy. Mechanical testing demonstrated that the inclusion of reduced graphene oxide at 0.5% concentration increased strength by 48% and decreased electrical resistance to 550-600 ohms, with conductivity values reverting to baseline upon load removal. These findings suggest that graphene modification significantly enhances the electrical and mechanical performance of concrete composites. Therefore, these hybrid materials hold considerable potential for use in structural health monitoring systems, self heating elements, grounding electrodes, and for improving the reliability and safety of energy infrastructure and engineering systems, especially those functioning in harsh Arctic and Subarctic environments.

В работе представлено получение углеродных порошков, содержащих графеновые чешуйки. Синтез проводился методом быстрого джоулева нагрева смеси мелкодисперсного порошка полипропилена и технического углерода при соотношении 1:1. Для проведения процесса разработан и сконструирован экспериментальный макет установки, основой которого являются конденсаторный блок с общей емкостью 32 мФ и индуктор номиналом 24 мГн. Расчетная температура синтеза составила до 2200 °С при длительности около 32 мс. Для использования в качестве пропитывающего состава для стекловолокон был приготовлен раствор, включающий коллоидную дисперсию эпоксидной смолы, аминный отвердитель в смеси деионизированной воды и этилового спирта в отношениях 4 : 0,6 : 10 и 1 масс. % полученного углеродного порошка и технического углерода. Из исследований спектров комбинационного рассеяния света и оптической плотности в УФ-диапазоне следует, что синтезированные углеродные порошки содержат графеновые чешуйки с латеральными размерами до 13 нм. Элементный анализ показыает, что в пропитанном волокне наблюдается значительное повышение содержания атомов углерода по сравнению с исходным стекловолокном. Электрические измерения температурных зависимостей вольт-амперных характеристик показали наличие электропроводности при низких температурах, соответствующей сопротивлению до 8 МОм/кв. В перспективе, электрическая проводимость может быть повышена за счет повышения мощности разряда. Разработанный макет установки для проведения быстрого джоулева нагрева обладает потенциалом внедрения в область рациональной переработки пластиковых отходов. Полученные углеродные порошки могут выступать в качестве модифицирующих добавок для стекловолокна, используемых для создания стеклофибробетонов.
The present study outlines the synthesis of carbon that include graphene flakes. The production process employed rapid Joule heating of a mixture consisting of finely dispersed polypropylene powder and carbon black in a 1:1 ratio. An experimental model of the installation was developed and constructed, based on a capacitor bank with a total capacitance of 32 mF and an inductor with a nominal value of 24 mH for production purposes. A solution was prepared that included a colloidal dispersion of epoxy resins, an amine hardener in a mixture of deionized water and ethyl alcohol in a ratio of 4:0.6:10, along with 1 wt. % of the resulting carbon powder and carbon black, to be used as an impregnating compound for glass fibers. The estimated synthesis temperature reached up to 2200 °C, with a duration of approximately 32 ms. Studies of Raman spectra and optical density in the UV range indicate that the synthesized carbon powders contain graphene flakes with lateral dimensions of up to 13 nm. The results of elemental analysis reveal a significant increase in the carbon atom content in the impregnated fiber compared to the original glass fiber. Electrical measurements of the temperature dependence of the current-voltage (C-V) characteristics demonstrated the presence of electrical conductivity at low temperatures, corresponding to a resistance of up to 8 MΩ/sq. In the future, electrical conductivity may be enhanced by increasing the discharge power. The developed configuration for fast Joule heating has the potential to be integrated into the field of efficient recycling of plastic waste. The resulting carbon powders can serve as modifying additives for glass fiber used in the production of fiberglass concretes.

В cтатье опиcаны экcпериментальные чаcтотные и импульcные характериcтики полоcковых линий, cодержащих углеродные волокна или cлабоокиcленного графена. Иccледовано влияние механичеcкого воздейcтвия на контакт углерод-медь. Опиcана математичеcкая модель таких линий. Раccмотрели возможноcть иcпользования таких линий передачи для разработки различных уcтройcтв наноэлектронике.