物理学家发现陶瓷石墨烯复合材料中的薄弱点

彼得大彼德堡理工大学(SPbPU)的物理学家和材料科学家分析了由陶瓷和石墨烯板制成的纳米材料中的结构,其中裂纹最常出现。描述该规律性的模型的第一次试验的结果发表在《材料力学》上。该模型将有助于创建抗裂材料。该研究得到了俄罗斯科学基金会的资助。

石墨烯是最轻和最强的碳复合材料。而且,它具有非常高的电导率。由于这些特性,石墨烯通常包含在新型陶瓷基材料的成分中。陶瓷耐高温,并且,如果添加碳改性,复合材料将具有多功能性。将来,它们可用于生产柔性电子设备,传感器,建筑和航空领域。

从这种复合材料的许多实验研究中知道,它们的机械特性由石墨烯在组合物中的比例以及在陶瓷基体中分配的石墨烯板的尺寸决定。例如,在低石墨烯浓度的情况下,借助于长板可获得高抗裂性。然而,在最近的一项由氧化铝陶瓷和石墨烯合成材料的实验中,显示了相反的效果:随着板的增大,抗裂性变弱。圣彼得堡的研究人员开发了一种理论模型来解释这一悖论。

物理学家认为,复合材料中裂纹的形成与所谓陶瓷颗粒(形成材料的微观晶体)的边界有关。复合材料中的石墨烯板既可以位于陶瓷颗粒的边界,也可以位于内部颗粒。在纳米晶体材料的拉伸变形过程中,晶粒彼此相对滑动,并且裂纹遍布其边界。但是,为什么石墨烯添加在某些情况下会阻止此过程,而在另一些情况下却不会阻止呢?为了找到答案,科学家们开发了数学模型考虑到拉伸载荷,摩擦力,复合材料的弹性模量以及陶瓷颗粒和石墨烯板尺寸之间的相关性。在该模型的帮助下,科学家计算了三种不同复合材料的应力强度因子的临界值。当超过这些值时,裂纹会在材料中遍布。复合材料的陶瓷颗粒尺寸(从1.23到1.58微米)和石墨烯板的长度和宽度(从193到1070和从109到545纳米)各不相同。

发现石墨烯板的长度越接近晶界线的长度,应力强度因子的临界值越低。不同材料的价值差异高达20%。这与先前发表的实验数据是一致的:仅在晶界长度和石墨烯板的长度接近时,材料的抗裂性下降。这意味着要使材料更坚固,石墨烯板的长度必须比陶瓷颗粒的长度小得多。

“观察到的规律性适用于细粒陶瓷,毕竟,通过减小晶粒尺寸,新型复合材料的创造者为其添加了更多功能,”物理和数学科学博士Alexander Sheinerman解释说。美国国家技术计划NTI SPbPU先进制造技术中心的研究实验室“新型纳米材料的力学”。“由此,晶粒细化的效果可能是矛盾的,例如,硬度增加,但材料变得更脆弱。我们的模型有助于选择石墨烯 板的相关性 尺寸和晶粒尺寸,从而提供更好的机械和功能特性。”

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