Fysikere finder svage pletter i keramik/grafenkompositter

Fysikere og materialeforskere fra Peter den Store St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) analyserede strukturer i nanomaterialer lavet af keramiske og grafenplader, hvor revner oftest forekommer. Resultaterne af det første forsøg med modellen, der beskriver denne regelmæssighed, blev offentliggjort i Materialemekanik Journal . Denne model hjælper med at skabe revnebestandige materialer. Forskningen blev støttet af Russian Science Foundation -tilskuddet.

Grafen er den letteste og stærkeste kulstofkomposit. I øvrigt, den har en meget høj elektrisk ledningsevne. På grund af disse egenskaber er grafen ofte inkluderet i sammensætningen af ​​nye keramikbaserede materialer. Keramik er modstandsdygtig over for høje temperaturer, og, hvis kulstofmodifikationer tilføjes, kompositterne bliver multifunktionelle. I fremtiden kan de bruges til produktion af fleksible elektroniske enheder, sensorer, inden for byggeri og luftfart.

Det er kendt fra mange eksperimentelle undersøgelser af sådanne kompositter, at deres mekaniske egenskaber er indstillet af grafenproportionen i sammensætningen og af størrelsen af ​​grafenplader tildelt i den keramiske matrix. For eksempel, i tilfælde af lav grafenkoncentration, høj revnebestandighed blev opnået ved hjælp af lange plader. Imidlertid, i et af de seneste eksperimenter med syntese af materialer fra aluminiumoxidkeramik og grafen, den modsatte effekt blev vist:da pladerne var større, revnebestandigheden var svagere. Forskerne fra Sankt Petersborg har udviklet en teoretisk model, der forklarer dette paradoks.

Fysikerne formodede, at dannelsen af ​​revner i kompositterne er forbundet med grænserne for såkaldte keramiske korn-mikroskopiske krystaller, der danner materialet. Grafenplader i kompositterne kan placeres både ved grænserne for keramiske korn og indvendige korn. I løbet af trækdeformationen af ​​nanokrystallinske materialer, kornene glider i forhold til hinanden, og revnerne spredte sig over deres grænser. Men hvorfor stopper grafentilsætninger denne proces i nogle tilfælde og ikke stopper den i andre? For at finde svaret, forskerne udviklede en matematisk model, der tager højde for trækbelastningen, friktionskraften, kompositets elastiske moduler, og sammenhængen mellem dimensionerne af keramiske korn og grafenplader. Ved hjælp af modellen, forskerne beregnede de kritiske værdier af stressintensitetsfaktoren for tre forskellige kompositter. Når disse værdier blev overskredet, revner spredes overalt i materialet. Kompositterne varierede i størrelsen af ​​keramiske korn (fra 1,23 til 1,58 mikrometer) og længden og bredden af ​​grafenplader (fra 193 til 1070 og fra 109 til 545 nanometer).

Det blev fundet, at jo tættere længden af ​​grafenplader var på længden af ​​korngrænselinjer, jo lavere den kritiske værdi af stressintensitetsfaktoren. Værdiforskellen for forskellige materialer er op til 20%. Det er kongruent med eksperimentelle data, der blev offentliggjort tidligere:lige ved tætte værdier af korngrænselængde og længden af ​​grafenplader, materialets revnebestandighed faldt. Dette indebærer, at for at gøre materialet stærkere, grafenplader skal være væsentligt mindre i længden end keramiske korn.

"Den observerede regelmæssighed er gældende for finkornet keramik, og, trods alt, ved at reducere kornstørrelsen, skaberne af nye kompositmaterialer tilføjer dem mere funktionalitet, "forklarer Alexander Sheinerman, Læge i fysiske og matematiske videnskaber, leder af forskningslaboratoriet "The Mechanics of New Nanomaterials" i Advanced Manufacturing Technologies Center i National Technology Initiative NTI SPbPU. "Derved, virkningerne af kornforfining kan være modstridende, for eksempel, hårdheden stiger, men materialet bliver mere skrøbeligt. Vores model hjælper med at vælge korrelationen mellem grafenpladestørrelsen og kornstørrelsen, som giver bedre mekaniske og funktionelle egenskaber. "