Специалисты из Китайской академии наук совместно с коллегами из Пекинского университета аэрокосмической техники нашли решение одной из сложных задач в области разработки новых материалов. Им удалось существенно увеличить сопротивление алмаза к растрескиванию, при этом сохранив его высокую прочность.

Для достижения этой цели исследователи интегрировали трёхмерную структуру углеродных нанотрубок непосредственно внутрь кристаллической решётки алмаза. В результате получившийся материал демонстрирует в пять раз большую устойчивость к образованию трещин по сравнению с обычным монокристаллом, при этом его прочность практически идентична таковой у природного алмаза.

По сведениям ученых, сопротивление нового материала к образованию трещин достигает приблизительно 31,9 МПа·м¹ᐟ². В то же время, у монокристаллического алмаза данный параметр обычно находится в пределах около 6 МПа·м¹ᐟ².

Так, показатель твёрдости этого нового композиционного материала составляет около 91,6 гигапаскалей – значение, соответствующее характеристикам как природных, так и искусственно выращенных алмазов.

Эта задача оставалась нерешённой на протяжении многих лет.

Исторически одним из основных недостатков алмазов являлась их склонность к разрушению. Даже незначительное воздействие по определенной линии разлома может привести к поломке, несмотря на то что поверхность этого минерала крайне сложно повредить большинством известных веществ.

Сочетание значительной твердости и хрупкости обусловлено особенностями кристаллической структуры алмаза. Те самые прочные связи между атомами углерода, которые обеспечивают его исключительную твердость, одновременно препятствуют способности материала противостоять распространению трещин.

Ранее проводимые работы были сосредоточены на методе повышения прочности за счёт изменения внутренних свойств материала. Специалисты модифицировали структуру кристаллической решётки алмаза, применяя такие приемы как формирование нано-двойников, создание дефектов в плотной упаковке атомов или внедрение аморфных участков.

Применение подобных технологий действительно способствовало улучшению устойчивости к растрескиванию, но часто это сопровождалось уменьшением показателя твердости.

В рамках текущего исследования был выбран альтернативный метод – внешнее упрочнение. Вместо воздействия непосредственно на атомную структуру алмаза, специалисты применили добавление во время процесса создания армирующего элемента — сплошной трехмерной структуры из многослойных углеродных нанотрубок.

В конечном итоге это обеспечило формирование прочной связи между сетью углеродных трубок и алмазным основанием, расположенным вокруг них, на уровне отдельных атомов.

Как работает сеть углеродных нанотрубок

Многослойные углеродные нанотрубки характеризуются крайне малыми размерами. Их диаметр составляет порядка одной десятой миллионной доли от толщины человеческого волоса, что делает невозможным визуализацию этих структур с помощью стандартных оптических микроскопов.

Тем не менее, эти материалы демонстрируют выдающуюся устойчивость к разрыву, значительно превосходящую показатели стали.

На границах соприкосновения углеродных нанотрубок и алмазной основы формируются химические соединения, объединяющие различные формы гибридизации атомов углерода. В кристаллической структуре алмаза доминирует sp³-гибридизация, в то время как графит и углеродные нанотрубки характеризуются sp²-гибридизацией.

Образовавшиеся интерфейсы с чередованием гибридных связей обеспечивают равномерное распределение механических усилий по всему материалу, предотвращая их локализацию в критической области перед распространяющейся трещиной.

Как правило, именно накопление напряжения на завершающем участке разрыва является одним из основных факторов разрушения обычного алмаза.

Благодаря включению углеродной структуры в состав нового вещества, она поглощает энергию и изменяет траекторию движения разломов. Это препятствует быстрому распространению трещин через материал вдоль плоскостей спайности, предотвращая его неожиданное разрушение.

Таким образом, композитный материал сочетает высокую прочность алмаза с повышенной устойчивостью к возникновению и росту дефектов.

По словам ученых, продемонстрированная способность противостоять растрескиванию превышает характеристики вольфрамовых соединений, которые используются для изготовления бронирующих элементов. При этом твердость материала остается практически неизменной.

В каких сферах инновационное решение может расширить функциональные возможности алмаза?

В большинстве промышленных процессов, где задействован алмаз, его подверженность сколам рассматривается как постоянный фактор, который необходимо принимать во внимание.

Алмазы находят применение в режущем инструменте, буровых установках и при создании механизмов для прецизионной обработки поверхностей. При этом конструкторам приходится прогнозировать возможность поломок из-за воздействия мощных ударов или других видов механических воздействий.

Наиболее строгие требования предъявляются к деталям, используемым в авиационной и космической отраслях, а также к компонентам с повышенной стойкостью к износу. Им необходимо одновременно противостоять как интенсивным процессам истирания, так и воздействию ударных нагрузок.

Разработка материала, сочетающего исключительную твёрдость алмаза с заметно улучшенными характеристиками прочности на разрушение, открывает новые возможности для использования сверхтвёрдых веществ.

Продолжение изучения композиционных материалов с алмазной основой стало предметом новой работы. Ранее, в двадцатиком лет, коллектив исследователей представил результаты своих изысканий в журнале Nature, где был описан материал, обладающий повышенной устойчивостью к образованию трещин благодаря его сложной организации. При этом сохранить первоначальную высокую прочность алмаза не представлялось возможным.

В рамках новой разработки продемонстрировано, что применение внешней подкрепляющей структуры из углеродных нанотрубок способно преодолеть существующее противоречие: значительно увеличить способность материала противостоять разрушению при минимальной потере его твёрдости.

Следовательно, авторы исследования предлагают принципиально новый подход к созданию материалов с исключительной твердостью. В этом случае алмазная основа сохраняет свои характерные характеристики, а трёхмерный переплет из углеродных нанотрубок действует как внутренняя опора, не позволяющая трещинам распространяться.

Исследование опубликовано в журнале Nature Synthesis.