В композитах на основе графеновых пластин и керамики обнаружили слабые места
Керамика и графен приобретают всё усиливающуюся популярность как основа для целого ряда композитных материалов. Графен – это наиболее лёгкая и прочная на сегодняшний день разновидность углерода, к тому же он проводит электрический ток. Керамика сама по себе является материалом, имеющим стойкость к повышенным температурам; при соединении её с графеном получается композитный материал, характеризующийся многофункциональностью.
В будущем такие композиты можно будет применять для производства гибких электронных устройств, а также сенсоров (применяемые в лабораторных инкубаторах и холодильниках), компонентов для возведения зданий и производства самолётов. В некоторых областях они используются уже сегодня. Особенно активно такие композиты используются в авиации и космонавтике, хотя имеющиеся пока что у них недостатки не позволяют применять их там в полную силу. В дальнейшем эти недостатки, в том числе низкая прочность, будут устранены.
Известно, что механические параметры подобных соединений зависят от доли графена в веществе и размера графеновых пластин. К примеру, если содержание графена в веществе низкое, то наиболее высокую стойкость к трещинам обеспечивают длинные пластины из графена. Однако недавние исследования, в которых в состав композита входила алюмооксидная керамика, выявили парадоксальные свойства: там всё происходило наоборот – чем больше длина графеновых пластин, тем устойчивость материала к трещинам ниже. Чем же объяснить такое несоответствие общепризнанным законам? Ответить на этот вопрос смогли российские учёные. Финансирование исследования предоставил в том числе и Российский научный фонд.
Учёные предположили, что появление трещин в таких композитах может происходить по вине так называемых зёрен керамики – это мельчайшие кристаллы, из которых состоит вещество. В композитах графеновые пластины могут располагаться как между зёрнами, так и внутри них. При растягивании композитного материала зёрна двигаются относительно друг друга, и образующиеся трещины проходят по их границам. Но в одних случаях графеновые пластины замедляют этот процесс, а в других – нет. Чтобы понять, почему так происходит, исследователи построили математическую модель, которая учитывает ряд параметров, таких как нагрузка при растяжении материала, сила трения, упругость материала, относительные размеры зёрен и пластинок графена. Модель использовала разные вида композита, которые отличались размерами графеновых пластин и керамических зёрен. При превышении определённых критических показателей модели в материале появлялись трещины.
Оказалось, что если длина графеновых пластин примерно равна длине границ зёрен, то прочность композитного материала существенно падает. Это открытие совпало с данными, полученными ранее экспериментальным путём. Таким образом, чтобы повысить прочность композитного материала, длина его углеродных пластинок должна быть меньше размеров керамических зёрен.
