Учёные обнаружили превращение алмаза в графит при гиперзвуковом ударе
Американские исследователи обнаружили, что алмаз может превращаться в графит за миллионные доли секунды при ударе с гиперзвуковой скоростью. В эксперименте алюминиевые снаряды разгоняли более чем до восьми скоростей звука и направляли в сверхтвёрдый композит с алмазными частицами. Анализ показал, что под воздействием ударной волны часть алмаза изменила свою кристаллическую структуру, что могло способствовать поглощению энергии столкновения. Открытие может помочь разработать новые защитные материалы для космической и авиационной техники.
Исследование провели специалисты Техасского университета A&M и Университета Райса под руководством Аникета Моте и профессора Томаса Лейси. Для испытаний учёные изготовили композит из микроскопических алмазных зёрен, кубического нитрида бора и кобальта. Компоненты соединили методом искрового плазменного спекания, получив плотный материал, рассчитанный на высокие механические нагрузки.
Эксперименты проводились в Лаборатории сверхскоростных ударных испытаний Техасского университета A&M с помощью двухступенчатой легкогазовой пушки. Сначала исследователи выпустили по образцу группу алюминиевых шариков диаметром один миллиметр со скоростью около 7,5 Маха. Затем использовали один снаряд диаметром четыре миллиметра, разогнанный приблизительно до 8,45 Маха. В первом испытании композит сохранил целостность, однако попадание более крупного снаряда привело к его разрушению.
После испытаний специалисты изучили повреждённые образцы и обнаружили, что часть алмазных зёрен превратилась в графит. Оба вещества состоят из углерода, но различаются расположением атомов. В алмазе они образуют прочную трёхмерную структуру, обеспечивающую исключительную твёрдость, тогда как в графите объединены в слои, способные смещаться относительно друг друга.
Под воздействием ударной волны связи между атомами углерода перестраивались за микросекунды. Компьютерное моделирование помогло исследователям изучить происходившие изменения на атомном уровне. По предположению авторов, часть энергии столкновения расходовалась на преобразование кристаллической структуры, что могло уменьшать разрушительное воздействие удара.
Полученные результаты представляют интерес для разработки защитных покрытий космических аппаратов, элементов авиационной техники и других конструкций, подвергающихся экстремальным нагрузкам. Однако эффективность такого механизма в составе готовой защиты ещё не подтверждена. Для практического применения потребуется определить, насколько хорошо подобные композиты поглощают энергию по сравнению с существующими материалами.
Исследование в журнале Materials Today.