Ученые Института проблем машиноведения
РАН выяснили, какая структура композитов из керамики и графена наиболее
устойчива к растрескиванию. Графен является одним из наиболее перспективных
материалов, позволяющих усиливать прочностные характеристики веществ. Он имеет
кристаллическую решетку, которую образуют шестиугольники атомов углерода.
Графен отличается хорошей теплопроводностью, гибкостью и прочностью. Несмотря
на то, что материал очень тонкий, он считается самой прочной структурой в мире.
Фото: yarllo.ru.
Исследования ученых Санкт-Петербурга показали, что
высокая ударная вязкость керамических и графеновых композитов может быть
достигнута, если «боковые» размеры графеновых пластин достаточно велики, а
также если размер зерна керамической матрицы достаточно мал.
«Пластинки графена в керамиках
препятствуют росту трещин и увеличивают прочность материала. Проблема в том,
что прочностные характеристики керамических композитов с графеном зависят от
структуры материала, в частности, от объемной доли пластинок графена, их длины
и структуры керамической матрицы. Мы рассчитали эти характеристики и вывели
оптимальные условия для изготовления такого материала», – сказал ведущий
научный сотрудник лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш
РАН Александр Шейнерман.
Конструкционная керамика применяется в спортивной,
автомобильной, строительной, ракетно-космической, станкостроительной, оборонной
и авиационной промышленности. Также из нее изготавливают измерительный
инструмент, базовые опоры скольжения и прецизионные узлы станков, подшипники,
работающие без смазки. Прочностные характеристики конструкционной керамики
влияют не только на срок службы таких изделий, но и на качество конечного
продукта.
Однако при выборе пластин графена неоптимального
размера или в случае их слишком большой концентрации может получиться обратный
эффект – пластины могут отслаиваться или могут возникать трещины. В связи с
этим главной частью работы и стало определение оптимальных характеристик.
Исследователи отмечают, что устойчивость итогового материала к растрескиванию
может превышать трещиностойкость обычной керамики в несколько раз.
Ученые планируют изучить другой важный компонент,
отвечающий за прочностные характеристики керамики – ее пористость.
Работа выполнялась в рамках проекта «Механика
объемных функциональных нанокерамик и керамических нанокомпозитов»,
поддержанного Российским научным фондом. Результат исследования опубликован в
одном из научных журналов.