Fysiker och materialforskare från Peter den store St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) analyserade strukturerna i nanomaterial gjorda av keramiska och grafenplattor, där sprickor förekommer oftast. Resultaten av det första försöket med modellen, som beskriver denna regelbundenhet, publicerades i Mechanics of Materials Journal . Denna modell kommer att hjälpa till att skapa sprickbeständiga material. Forskningen stöddes av anslaget från Russian Science Foundation.

Grafen är den lättaste och starkaste kolkompositen. Dessutom, den har en mycket hög elektrisk ledningsförmåga. På grund av dessa egenskaper ingår ofta grafen i sammansättningen av nya keramiska material. Keramik är resistent mot höga temperaturer, och, om kolmodifieringar läggs till, kompositerna blir multifunktionella. I framtiden kan de användas i produktion av flexibla elektroniska enheter, sensorer, inom bygg och luftfart.

Det är känt från många experimentella studier av sådana kompositer att deras mekaniska egenskaper bestäms av grafenandelen i kompositionen och av storleken på grafenplattor som är allokerade i den keramiska matrisen. Till exempel, i fallet med låg grafenkoncentration, hög sprickbeständighet uppnåddes med hjälp av långa plåtar. Dock, i ett av de senaste experimenten med syntes av material från aluminiumoxidkeramik och grafen, motsatt effekt visades:eftersom plattorna var större, sprickmotståndet var svagare. Forskarna från Sankt Petersburg har utvecklat en teoretisk modell som förklarar denna paradox.

Fysikerna antog att sprickbildningen i kompositerna är kopplad till gränserna för så kallade keramiska korn – mikroskopiska kristaller som bildar materialet. Grafenplattor i kompositerna kan placeras både vid gränserna för keramiska korn och inuti korn. Under dragdeformationen av nanokristallina material, kornen glider i förhållande till varandra, och sprickorna spred sig över deras gränser. Men varför stoppar grafentillägg denna process i vissa fall och inte stoppar den i andra? För att hitta svaret, forskarna utvecklade en matematisk modell som tar hänsyn till dragbelastningen, friktionskraften, elasticitetsmoduler för kompositen, och korrelationen mellan dimensionerna av keramiska korn och grafenplattor. Med hjälp av modellen, forskarna beräknade de kritiska värdena för stressintensitetsfaktorn för tre olika kompositer. När dessa värden överskreds, sprickor sprids över hela materialet. Kompositerna varierade i storleken på keramiska korn (från 1,23 till 1,58 mikrometer) och längden och bredden på grafenplattor (från 193 till 1070 och från 109 till 545 nanometer).

Det visade sig att ju närmare längden på grafenplattorna är längden på korngränslinjerna, desto lägre kritiskt värde för stressintensitetsfaktorn. Värdeskillnaden för olika material kommer upp till 20 %. Det stämmer överens med experimentella data som publicerats tidigare:precis vid nära värden på korngränslängden och längden på grafenplattor, materialets sprickmotstånd minskade. Detta innebär att för att göra materialet starkare, grafenplattor måste vara betydligt mindre i längd än keramiska korn.

"Den observerade regelbundenhet gäller för finkornig keramik, och, trots allt, genom att minska kornstorleken, skaparna av nya kompositmaterial lägger till mer funktionalitet till dem, " förklarar Alexander Sheinerman, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, chefen för forskningslaboratoriet "The Mechanics of New Nanomaterials" vid Advanced Manufacturing Technologies Center vid National Technology Initiative NTI SPbPU. "Därtill, effekterna av spannmålsförfining kan vara motsägelsefulla, till exempel, hårdheten stiger, men materialet blir ömtåligare. Vår modell hjälper till att välja korrelationen mellan grafenplattans storlek och storleken på korn, som ger bättre mekaniska och funktionella egenskaper."