Китайские учёные разработали алмазный композит, в котором удалось устранить одно из главных ограничений алмаза — чрезвычайно высокую твёрдость при сравнительно низкой трещиностойкости. На помощь пришли углеродные нанотрубки, но «рецепт» изготовления оказался непростым.

О прорыве сообщили исследователи из Института физики Китайской академии наук (Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences), Бэйханского университета (Beihang University) и ряда других научных центров. В конечном итоге им удалось встроить в поликристаллическую алмазную матрицу трёхмерную сеть многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT).

Полученный материал сохранил твёрдость по Виккерсу до 91,6 ГПа, то есть на уровне монокристаллического алмаза, но средняя трещиностойкость или вязкость разрушения достигла 31,9 МПа·м^1/2, а максимальное измеренное значение — 36,4 МПа·м^1/2. Это примерно в пять-шесть раз выше характерного показателя обычного монокристаллического алмаза и, по данным авторов, кратно превосходит вязкость разрушения ряда вольфрамовых сплавов.

Для получения композита исследователи использовали алмазный порошок с размером зёрен 0,8–1,3 мкм и многостенные углеродные нанотрубки с наружным диаметром 10–20 нм, внутренним диаметром 5–10 нм и длиной 10–20 мкм. Окончательное спекание проводилось в прессе при давлении 15 ГПа. Оптимальной оказалась температура около 2000 °C. В результате получались цилиндрические образцы диаметром около 3 мм и толщиной 2 мм. Сохранившиеся в процессе спекания нанотрубки занимали всего около 0,35 % объёма материала, но образовали непрерывную пространственную сеть в промежутках между алмазными зёрнами. И это решило всё.

Сеть из нанотрубок работала подобно армирующим волокнам, связывающим соседние алмазные зёрна. В областях максимального давления при изготовлении нанотрубки частично превращались в алмаз. Благодаря этому они не просто механически располагались между кристаллами, а местами оказывались ковалентно «вшиты» в алмазный каркас, тогда как прочные связи непосредственно между алмазными зёрнами сохраняли исключительно высокую твёрдость материала.

При возникновении трещины такая структура заставляла её расходовать значительно больше энергии на распространение. Вместо прямого распространения по плоскости, характерного для хрупкого разрушения алмаза, трещина многократно отклонялась, разветвлялась и меняла направление. Нанотрубки при этом вытягивались из матрицы и образовывали перемычки между разделяющимися зёрнами.

В конечном итоге даже этот чудо-алмаз можно разрушить, но сочетание практически алмазной твёрдости с настолько высокой сопротивляемостью развитию трещин делает материал перспективным для изготовления износостойкого режущего инструмента, сверхтвёрдой керамики и других деталей, одновременно испытывающих сильное давление и ударные нагрузки, например, в аэрокосмической отрасли.

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме