Структуру керамических композитов с графеном, наиболее устойчивую к растрескиванию, установили ученые из Института проблем машиноведения (ИПМаш) РАН, сообщает 22 февраля пресс-служба Минобрнауки.

Графен, состоящий из одного слоя шестиугольной кристаллической решетки атомов углерода, является очень тонким (в толщину одного атома углерода) и самым прочным материалом в мире. Кроме прочности, он обладает хорошей теплопроводностью и гибкостью.

Добавки графена позволяют усиливать прочностные характеристики различных веществ. Исследования ученых ИПМаш показали, что достичь высокой ударной вязкости композитов из керамики и графена можно, если «боковые» размеры графеновых пластин достаточно велики, а размер зерна керамической матрицы при этом достаточно мал.

Ведущий научный сотрудник лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН Александр Шейнерман пояснил:

«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».

Область применения конструкционной керамики в настоящее время очень велика. Это спортивная, автомобильная, строительная, ракетно-космическая, станкостроительная, оборонная и авиационная отрасли промышленности.

Керамика идет также на изготовление измерительных инструментов, базовых опор скольжения и прецизионных узлов станков, а также подшипников, не требующих смазки. Качество таких изделий и срок их службы определяются прочностными характеристиками конструкционной керамики, которые улучшают с помощью добавок графена.

Однако, если пластины графена имеют неоптимальный размер или их концентрация слишком велика, эффект от их использования может стать обратным. В этом случае пластины графена могут отслаиваться или в композите начнут возникать трещины.

Именно эту проблему решало исследование петербургских ученых, которые определили оптимальный состав и характеристики графеновых добавок, обеспечивающих максимальную прочность композитного материала.

Разработанная ими модель показывает, что устойчивость к растрескиванию материала с разработанной оптимальной структурой может в несколько раз превысить трещиностойкость обычной керамики.

Результат исследования, выполненного в рамках проекта «Механика объемных функциональных нанокерамик и керамических нанокомпозитов», был представлен в статье «Моделирование повышения и снижения вязкости разрушения полностью плотных композитов керамика/графен», опубликованной в European Journal of Mechanics — A/Solids.

Следующим этапом научных исследований коллектива станет изучение влияния пористости керамики на ее прочность.