Natuurkundigen en materiaalwetenschappers van de Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) analyseerden de structuren in nanomaterialen gemaakt van keramische en grafeenplaten, waarin scheuren het meest voorkomen. De resultaten van de eerste proef van het model, die deze regelmaat beschrijft, werden gepubliceerd in de Mechanics of Materials Journal . Dit model zal helpen bij het maken van scheurbestendige materialen. Het onderzoek werd ondersteund door de subsidie ​​van de Russian Science Foundation.

Grafeen is het lichtste en sterkste koolstofcomposiet. Bovendien, het heeft een zeer hoge elektrische geleidbaarheid. Vanwege deze eigenschappen wordt grafeen vaak opgenomen in de samenstelling van nieuwe op keramiek gebaseerde materialen. Keramiek is bestand tegen hoge temperaturen, en, als koolstofmodificaties worden toegevoegd, de composieten worden multifunctioneel. In de toekomst kunnen ze worden gebruikt bij de productie van flexibele elektronische apparaten, sensoren, in de bouw en de luchtvaart.

Uit veel experimentele studies van dergelijke composieten is bekend dat hun mechanische eigenschappen worden bepaald door het grafeengehalte in de samenstelling en door de grootte van grafeenplaten die in de keramische matrix zijn toegewezen. Bijvoorbeeld, in het geval van een lage grafeenconcentratie, hoge scheurweerstand werd bereikt met behulp van lange platen. Echter, in een van de recente experimenten met de synthese van materialen uit aluminiumoxidekeramiek en grafeen, het tegenovergestelde effect werd aangetoond:naarmate de platen groter waren, de scheurweerstand was zwakker. De onderzoekers uit Sint-Petersburg hebben een theoretisch model ontwikkeld dat deze paradox verklaart.

De natuurkundigen veronderstelden dat de vorming van scheuren in de composieten verband houdt met de grenzen van zogenaamde keramische korrels - microscopisch kleine kristallen die het materiaal vormen. Grafeenplaten in de composieten kunnen zowel aan de randen van keramische korrels als aan de binnenkant van korrels worden geplaatst. In de loop van de trekvervorming van nanokristallijne materialen, de korrels schuiven ten opzichte van elkaar, en de scheuren verspreidden zich over hun grenzen. Maar waarom stoppen grafeentoevoegingen in sommige gevallen dit proces en in andere niet? Om het antwoord te vinden, de wetenschappers ontwikkelden een wiskundig model dat rekening houdt met de trekbelasting, de wrijvingskracht, elastische moduli van de composiet, en de correlatie tussen de afmetingen van keramische korrels en grafeenplaten. Met behulp van het model, de wetenschappers berekenden de kritische waarden van de stress-intensiteitsfactor voor drie verschillende composieten. Wanneer deze waarden werden overschreden, scheuren verspreid over het materiaal. De composieten varieerden in de grootte van keramische korrels (van 1,23 tot 1,58 micrometer) en de lengte en breedte van grafeenplaten (van 193 tot 1070 en van 109 tot 545 nanometer).

Het bleek dat hoe dichter de lengte van grafeenplaten bij de lengte van korrelgrenslijnen ligt, hoe lager de kritische waarde van de stressintensiteitsfactor. Het waardeverschil voor verschillende materialen loopt op tot 20%. Het komt overeen met eerder gepubliceerde experimentele gegevens:alleen bij nauwe waarden van de lengte van de korrelgrens en de lengte van grafeenplaten, de scheurweerstand van het materiaal daalde. Dit houdt in dat om het materiaal sterker te maken, grafeenplaten moeten aanzienlijk kleiner zijn dan keramische korrels.

"De waargenomen regelmaat geldt voor fijnkorrelige keramiek, en, ten slotte, door de korrelgrootte te verkleinen, de makers van nieuwe composietmaterialen voegen er meer functionaliteit aan toe, " legt Alexander Sheinerman uit, doctor in de fysische en wiskundige wetenschappen, het hoofd van het onderzoekslaboratorium "The Mechanics of New Nanomaterials" van het Advanced Manufacturing Technologies Center van het National Technology Initiative NTI SPbPU. "Daarmee, de effecten van graanverfijning kunnen tegenstrijdig zijn, bijvoorbeeld, de hardheid stijgt, maar het materiaal wordt kwetsbaarder. Ons model helpt bij het bepalen van de correlatie tussen de grafeenplaatgrootte en de grootte van korrels, die betere mechanische en functionele eigenschappen bieden."