Петербургские ученые определили наиболее прочную структуру композита для изделий ракетно-космической промышленности
Графен — очень тонкий и самый прочный материал в мире. Он состоит из одного слоя кристаллической решетки, образованной шестиугольниками атомов углерода, — то есть его толщина всего один атом. Кроме того, графен отличается хорошей теплопроводностью и гибкостью. Этот перспективный материал позволяет усиливать прочностные характеристики веществ, поэтому на изучение его свойств направлены многочисленные исследования. Ученые подведомственного Минобрнауки России Института проблем машиноведения РАН выяснили, какая структура керамических композитов с графеном наиболее устойчива к растрескиванию.
Исследования 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 измерительные инструменты, 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.
