Битая посуда два века живет, а небитая три

Если ее будут изготавливать из новой керамики. Дело в том, что исследователи обнаружили способ сделать керамику более прочной и устойчивой к растрескиванию.

Создавая эти материалы с использованием смеси атомов металлов, имеющих больше электронов на внешней оболочке, группа специалистов под руководством инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего раскрыла потенциал, позволяющий керамике выдерживать более высокие нагрузки и напряжения, чем раньше.

Керамика обладает множеством преимуществ благодаря своим замечательным свойствам, включая способность выдерживать экстремально высокие температуры, противостоять коррозии и износу поверхности, а также сохранять легкий вес. Эти свойства делают их пригодными для использования в различных областях, таких как аэрокосмические компоненты и защитные покрытия для двигателей и режущих инструментов. Однако их слабым местом всегда была хрупкость. Они легко ломаются под нагрузкой.

Но теперь исследователи нашли решение, которое позволяет сделать керамику более прочной. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Science Advances.

Исследование, проведенное под руководством профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Кеннета Веккио, посвящено классу керамики, известному как высокоэнтропийные карбиды. Эти материалы имеют крайне неупорядоченную атомную структуру, состоящую из атомов углерода, соединенных с несколькими металлическими элементами из четвертого, пятого и шестого столбцов периодической таблицы. К таким металлам относятся, например, титан, ниобий и вольфрам. Исследователи пришли к выводу, что ключ к повышению прочности керамики лежит в использовании металлов из пятого и шестого столбцов периодической таблицы, поскольку у них большее количество валентных электронов.

Валентные электроны — те, которые находятся во внешней оболочке атома и участвуют в связях с другими атомами, — оказались решающим фактором. Используя металлы с большим количеством валентных электронов, исследователи успешно повысили устойчивость материала к растрескиванию при механических нагрузках и напряжениях.

Эти дополнительные электроны важны, поскольку они делают керамический материал более пластичным, то есть он может подвергаться большей деформации, прежде чем разрушится, подобно металлу, — говорит Веккио.

Чтобы лучше понять этот эффект, группа Веккио сотрудничала с Давиде Санджованни, профессором теоретической физики из Университета Линчепинга (Швеция). Санджованни выполнил вычислительное моделирование, а группа Веккио экспериментально изготовила и испытала материалы.

Группа исследовала высокоэнтропийные карбиды, содержащие различные комбинации пяти металлических элементов. Каждая комбинация давала различную концентрацию валентных электронов в материале.

Благодаря высокой концентрации валентных электронов были обнаружены два высокоэнтропийных карбида, которые демонстрировали исключительную устойчивость к растрескиванию под нагрузкой или напряжением. Один из них состоял из металлов ванадия, ниобия, тантала, молибдена и вольфрама. В другом варианте ниобий заменен на хром.

При механической нагрузке или напряжении эти материалы способны деформироваться или растягиваться соответственно, что напоминает поведение металлов, а не типичную хрупкую реакцию керамики. При проколе или растяжении этих материалов связи начинали разрываться, образуя отверстия размером с атом. Дополнительные валентные электроны вокруг атомов металла реорганизуются, перекрывая эти отверстия и образуя новые связи между соседними атомами металла. Этот механизм сохраняет структуру материала вокруг отверстий, эффективно препятствуя их увеличению и образованию трещин.

Мы обнаружили, что на наноуровне происходит трансформация, в ходе которой перестраиваются связи, удерживающие материал вместе, — говорит соавтор исследования Кевин Кауфман, выпускник факультета наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего из лаборатории Веккио.

Вместо того чтобы просто расщепляться прямо по поверхности излома, материал медленно разрывается, как веревка при натяжении. Таким образом, материал может выдержать происходящую деформацию и не разрушиться хрупким образом.

Теперь задача состоит в том, чтобы увеличить масштабы производства этой прочной керамики для коммерческого применения. Это может помочь изменить технологии, в которых используются высокоэффективные керамические материалы — от аэрокосмических компонентов до биомедицинских имплантатов.

Обнаруженная прочность керамики также открывает путь к ее использованию в экстремальных областях, например, в качестве передних кромок гиперзвуковых аппаратов. Более жесткая керамика может служить передней защитой таких аппаратов, защищая жизненно важные компоненты от столкновения с обломками и позволяя аппаратам лучше выдерживать сверхзвуковые полеты, пояснил Веккио.

Устранив давнее ограничение керамики, мы сможем значительно расширить ее применение и создать материалы нового поколения, способные произвести революцию в нашем обществе, — заключает Веккио.

19.10.2023