Новости

В композитах из керамики и графена нашли слабые места

30 сентября 2019 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: исследования, мировые нанотехнологии, композиты, керамика, графен, новые материалы

Российские физики и материаловеды выяснили, в какой структуре наноматериалов из керамики и пластин графена чаще образуются трещины. Результаты первого испытания модели, которая описывает найденную закономерность, опубликованы в Mechanics of Materials.

Графен — самая легкая и прочная из известных модификаций углерода, кроме того обладающая высокой электропроводимостью. Благодаря этим свойствам графен часто включают в состав новых материалов на основе керамики. Сама по себе керамика устойчива к высоким температурам, а с добавлением углеродной модификации композиты получаются многофункциональными. В перспективе их можно применить в производстве гибких электронных устройств, сенсоров, в строительстве и авиации.

Из многочисленных экспериментальных исследований таких композитов известно, что их механические свойства определяются долей графена в составе и размерами графеновых пластин, распределенных в керамической матрице. Например, при низких концентрациях графена высокую трещиностойкость материала обеспечивают длинные пластины.

Однако в одном из недавних экспериментов по синтезу материалов из алюмооксидной керамики и графена был показан противоположный эффект: чем больше размер пластин, тем ниже оказывалась трещиностойкость. Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Института проблем машиноведения РАН, СПбГУ и Университета ИТМО, поддержанные грантом Российского научного фонда, разработали теоретическую модель для объяснения этого парадокса.

Специалисты Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» предположили, что образование в композитах трещин связано с границами так называемых зерен керамики — микроскопических кристаллов, из которых состоит материал. Графеновые пластинки в композитах могут располагаться как на границах зерен, так и внутри них. При растяжении нанокристаллического материала зерна скользят относительно друг друга, и трещины распространяются по их границам.

Почему же в одних случаях включения графена тормозят этот процесс, а в других — нет? Чтобы найти ответ, авторы построили математическую модель, учитывающую нагрузку при растяжении, силу трения, показатели упругости материала, а также отношение размеров зерен и графеновых пластинок. С помощью модели ученые рассчитали для трех разных композитов критические значения коэффициента интенсивности напряжений. При превышении этих значений в материале распространяются трещины. Композиты отличались размерами зерна керамики (от 1,23 до 1,58 мкм), а также длиной (от 193 до 1070 нм) и шириной (от 109 до 545 нм) графеновых пластинок.

Выяснилось, что чем ближе длина графеновой пластины к длине границы зерен, тем ниже критическое значение коэффициента интенсивности напряжений. Разница значений для разных материалов достигает 20%. Это совпало с опубликованными ранее экспериментальными данными: именно при близких к друг другу размерах границы зерна и графеновой пластины трещиностойкость материала падала. Получается, чтобы материал был достаточно прочным, графеновые пластины должны быть существенно меньше, чем керамические зерна.

«Найденная закономерность справедлива для мелкозернистой керамики, а ведь именно за счет уменьшения размера зерна создатели новых керамических композитов расширяют их функциональность, — отметил заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика новых наноматериалов» Центра НТИ СПбПУ Александр Шейнерман. — При этом эффекты от измельчения зерен могут быть противоречивыми, например твердость повышается, но материал становится более хрупким. Наша модель поможет подбирать соотношения размеров графеновых пластин и зерен керамики, обеспечивающие лучшие механические и функциональные свойства».

Распространение трещины по границам зерен в композите. Зелеными линиями обозначены пластины графена / Александр Шейнерман

Распространение трещины по границам зерен в композите. Зелеными линиями обозначены пластины графена / Александр Шейнерман

Добавить комментарий

  • 30
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 31
  • 1
  • 2
  • 3