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.