Гиперзвуковой удар превращает алмаз в графит за несколько микросекунд
Учёные из Университета Райса разработали технологию производства плотного композитного материала на основе алмазных частиц, который способен выдерживать экстремальные механические нагрузки. В ходе экспериментов исследователи также установили, что удар гиперзвукового снаряда может заставить алмаз превратиться в графит всего за несколько микросекунд. Такая фазовая трансформация поглощает часть кинетической энергии удара и может помочь при разработке более прочных материалов для авиации, оборонной промышленности и других областей, работающих в экстремальных условиях.
Основная проблема при производстве крупных деталей из алмаза заключается в том, что небольшие алмазные частицы сравнительно недороги и их несложно изготовить, но объединить их в массивный цельный материал трудно. Для этого применяется спекание — процесс, при котором порошковые частицы соединяются под воздействием температуры и давления.
При сильном нагреве алмаз становится нестабильным и начинает переходить в графит, если одновременно не поддерживается очень высокое давление. Традиционные методы получения поликристаллического алмаза используют высокие температуры и экстремальное давление, однако необходимость создавать такие условия ограничивает размеры деталей, которые можно производить.
Чтобы сохранить алмаз при меньшем давлении, исследователи разработали многокомпонентную смесь. В мелкодисперсный алмазный порошок они добавили кубический нитрид бора, обладающий схожими с алмазом физическими свойствами. Дополнительным компонентом стал кобальт, который выполняет функцию связующего вещества и помогает стабилизировать смесь во время обработки.
Полученный порошок уплотняли методом искрового плазменного спекания. Эта технология одновременно воздействует на материал теплом и давлением и позволяет быстро объединять порошковые частицы в плотное твёрдое тело.
В результате учёные получили объёмный композит, в котором алмазные зёрна распределены внутри непрерывной структуры из кубического нитрида бора, а кобальт присутствует по всему материалу. Наличие алмазных частиц делает полученный композит чрезвычайно твёрдым и практически не поддающимся механической обработке.
При этом новый метод не требует экстремальных давлений, используемых при традиционном производстве поликристаллического алмаза. По мнению исследователей, это потенциально позволяет изготавливать более крупные детали из алмазосодержащего материала.
Механические свойства композита затем проверили в экспериментах с высокоскоростными ударами. Учёные стреляли по образцам небольшими металлическими снарядами диаметром от 1 до 4 миллиметров, разгоняя их до гиперзвуковых скоростей.
При столкновении со снарядом, двигавшимся со скоростью более семи скоростей звука, композит сохранил целостность и выдержал воздействие. При ударе более крупного снаряда на ещё большей скорости материал уже разрушился.
Чтобы выяснить причины разрушения и характер происходящих в материале процессов, исследователи изучили поверхности образовавшихся трещин и использовали компьютерное моделирование методом молекулярной динамики. Такие расчёты позволяют отслеживать движение атомов непосредственно во время экстремального воздействия.
Моделирование и анализ повреждений показали необычный механизм поведения алмаза при гиперзвуковом ударе. Сильное воздействие способно вызвать переход алмаза в графит за несколько микросекунд.
Алмаз и графит состоят из одного и того же элемента — углерода, однако атомы в этих материалах организованы по-разному. Именно различия в структуре определяют их резко отличающиеся свойства: алмаз является одним из самых твёрдых известных материалов, тогда как графит значительно мягче.
Обычно превращение алмаза в графит рассматривают как относительно медленный процесс, связанный с воздействием высокой температуры. В условиях гиперзвукового удара механизм оказывается другим: ударная волна и возникающие при столкновении экстремальные напряжения вызывают практически мгновенную перестройку атомной структуры.
При переходе алмаза в графит часть энергии столкновения расходуется на изменение структуры материала. По мнению исследователей, такая фазовая трансформация может способствовать поглощению энергии удара и повышать способность композита противостоять экстремальным механическим нагрузкам.
По словам первого автора работы Абхиджита Бисваса, полученный композит отличается высокой прочностью и практически не поддаётся механической обработке благодаря распределённым в нём алмазным частицам. Изучение того, как материалы изменяют структуру и фазовое состояние под воздействием экстремальной силы, в сочетании с исследованием их прочности и твёрдости может помочь создавать новые защитные материалы.
Разработанный подход представляет интерес для конструкций, которым приходится выдерживать сильные удары и другие экстремальные нагрузки. Исследователи считают, что полученные результаты могут быть использованы при создании более прочных материалов для аэрокосмической техники, оборонных систем и других технологий, работающих в тяжёлых условиях.
Исследование в журнале Materials Today.