Учёные сделали алмаз в пять раз более устойчивым к разрушению без потери твёрдости
Учёные из Китайской академии наук и Пекинского университета аэронавтики и космонавтики решили одну из давних проблем материаловедения. Им удалось значительно повысить устойчивость алмаза к разрушению, не снизив его твёрдость.
Для этого исследователи создали внутри алмаза трёхмерную сеть углеродных нанотрубок, которая формируется непосредственно в структуре материала. Получившийся композит обладает трещиностойкостью примерно в пять раз выше, чем у монокристаллического алмаза, при этом его твёрдость практически не отличается от твёрдости природного алмаза.
Исследователи сообщили, что трещиностойкость нового материала составляет примерно 31,9 МПа·м¹ᐟ². Для сравнения, у монокристаллического алмаза этот показатель обычно составляет около 6 МПа·м¹ᐟ².
При этом твёрдость нового композита достигает примерно 91,6 ГПа, что находится в диапазоне значений, характерных для природного и синтетического алмаза.
Проблема, которую не удавалось решить десятилетиями
Главным недостатком алмаза всегда считалась его хрупкость. Точный удар по определённой плоскости спайности способен разрушить материал, несмотря на то что его поверхность практически невозможно поцарапать большинством других веществ.
Такое сочетание высокой твёрдости и хрупкости связано с самой структурой алмаза. Те же прочные связи между атомами углерода, которые делают его исключительно твёрдым, одновременно ограничивают способность материала сопротивляться распространению трещин.
Предыдущие исследования были направлены на так называемое внутреннее упрочнение. Учёные изменяли микроструктуру самого алмаза, используя нанодвойникование, дефекты упаковки или аморфные фазы.
Такие методы действительно позволяли повысить трещиностойкость, однако обычно за это приходилось платить некоторым снижением твёрдости.
В новой работе исследователи использовали другой подход, который называют внешним упрочнением. Вместо изменения атомной структуры алмаза они добавили во время синтеза армирующую конструкцию — непрерывную трёхмерную сеть многослойных углеродных нанотрубок.
В результате между сетью нанотрубок и окружающей алмазной матрицей сформировалась непрерывная связь на атомном уровне.
Как работает сеть углеродных нанотрубок
Многослойные углеродные нанотрубки имеют чрезвычайно малые размеры. Их диаметр составляет примерно одну десятитысячную толщины человеческого волоса, поэтому отдельные нанотрубки невозможно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа.
При этом они обладают чрезвычайно высокой прочностью на растяжение, во много раз превышающей прочность стали.
В местах контакта нанотрубок с алмазной матрицей возникают связи, сочетающие различные типы гибридизации углерода. В алмазе преобладает sp³-гибридизация, тогда как в графите и углеродных нанотрубках характерна sp²-гибридизация.
Сформированные sp²-sp³-интерфейсы позволяют распределять механическое напряжение по композиту, вместо того чтобы концентрировать его в одной точке на вершине растущей трещины.
Именно концентрация напряжения на конце трещины является одним из ключевых механизмов разрушения обычного алмаза.
В новом материале углеродная сеть поглощает часть энергии и отклоняет направление распространения трещин. Благодаря этому трещина не может так легко пройти через материал по плоскости спайности и вызвать его внезапное разрушение.
В результате композит сохраняет исключительную твёрдость алмаза, но становится значительно более устойчивым к появлению и распространению трещин.
Исследователи сообщают, что достигнутый уровень трещиностойкости превосходит показатели вольфрамовых сплавов, применяемых в бронебойных боеприпасах, тогда как твёрдость материала при этом практически сохраняется.
Где новый материал может изменить возможности алмаза
Большинство промышленных технологий, использующих алмаз, уже сейчас учитывают его хрупкость как неизбежное ограничение.
Алмаз применяется в режущих инструментах, буровом оборудовании и системах высокоточного шлифования. Однако инженерам приходится учитывать риск разрушения материала при сильных ударах и других механических нагрузках.
Особенно сложные требования предъявляются к аэрокосмическим компонентам и износостойким поверхностям, которые должны одновременно выдерживать интенсивное истирание и ударные нагрузки.
Материал, сохраняющий твёрдость алмаза и одновременно обладающий значительно более высокой устойчивостью к разрушению, способен существенно расширить область применения сверхтвёрдых материалов.
Новая работа продолжает исследования композитов на основе алмаза. В 2020 году другая группа учёных опубликовала в журнале Nature исследование материала с высокой трещиностойкостью, полученной благодаря иерархической структуре. Однако полностью сохранить исходную твёрдость алмаза тогда не удалось.
Новая работа показывает, что использование внешней армирующей структуры на основе углеродных нанотрубок может позволить решить этот компромисс: повысить устойчивость алмаза к разрушению без заметной потери его твёрдости.
Таким образом, исследователи предлагают новый принцип создания сверхтвёрдых композитов, в котором алмазная матрица сохраняет свои уникальные свойства, а трёхмерная сеть углеродных нанотрубок выполняет роль внутреннего механического каркаса, препятствующего распространению трещин.
Исследование в журнале Nature Synthesis.