Технології
Хімія
Технології
Хімія

Кераміка самовідновилася після тріщин та подовжила строк експлуатації

Американські матеріалознавці знайшли таке поєднання карбіду з хромом та алюмінієм, яке не просто залишається стабільним в агресивних середовищах, а і заживляє собі тріщини разом з тим, як вони утворюються. Коли у матеріалі з'являється тріщина, його кристалічна структура внаслідок пластичної деформації утворює такі дефекти, які здатні як протистояти поширенню руйнування, так і його усуненню. Результати експериментів вчені опублікували у Science Advances.

Тріщини у з'єднанні карбіду з хромом та алюмінієм (Cr2AlC). A Farle et al. / IOP Science, 2016

Тріщини у з'єднанні карбіду з хромом та алюмінієм (Cr2AlC). A Farle et al. / IOP Science, 2016

Навіщо нам розумна кераміка?

Серйозним технологічним бар'єром для безлічі областей є брак матеріалів, здатних протистояти екстремальним умовам навколишнього середовища. У той час як саме керамічні матеріали забезпечують видатну хімічну і структурну стабільність при високих температурах і в агресивних середовищах. Кераміку навіть використовують в ядерній енергетиці, де вона може витримати інтенсивні радіаційні навантаження. Однак, важливо пам'ятати, що кераміка все-таки як неорганічний матеріал після термічної обробки, тверда і крихка, а тому значних зовнішніх навантажень перенести не може. На виробі швидко утворюються тріщини, в результаті чого він легко розколюється і кришиться. Це пов'язане із нездатністю кераміки до пластичної деформації порівняно з металевими матеріалами.

Однак, такі обмеження можна частково обійти, якщо модифікувати мікроструктуру керамічного з'єднання. Це такий собі специфічний механізм зміцнення, який здатний відтягувати момент створення тріщин, перекриває їх або зводить до мікротріщин завдяки викликаним напругою фазовим перетворенням. Однак, найкращим способом перестрахуватися дійсно є зміцнення через самовідновлення після утворення тріщин.

Як змусити матеріал самовідновлюватися?

Загоєння тріщин вимагає змін всередині структури, які можна спровокувати фізичними чи хімічними взаємодіями з матеріалом. Так можна зовнішньо чи внутрішньо доповнювати матеріал реагентами або ж додавати певні тригери, що спрацюють за певного стану. Однак, якщо це добре працює із в'яжучими полімерами та полімерними композитами, для кераміки чи заліза подібне організувати складніше з огляду на структуру. У керамічних матеріалах, за винятком деяких, загоєння тріщин в основному здійснювалося зовнішніми методами через додавання певних хімічних агентів або вже після початку руйнування за допомогою високого тиску при високих температурах.

Що зробила кераміка?

У цій роботі вченим вдалося продемонстрували самовідновлення матеріалу з поєднання карбіду з хромом та алюмінієм (Cr2AlC), якому вдалося за кімнатної температури так переформуватися всередині структури, щоб не лише запобігти поширенню тріщини, а і залатати її. Так під час появи тріщини вдалося викликати пластичну деформацію, структура всередині почала утворювати вигини, які обмежували швидке зростання тріщин, а також перекривали один одного. На думку дослідників, поява подібної ударної в'язкості можлива і у інших шаруватих керамічних матеріалів, більш широке застосування яких обмежується їх схильністю до катастрофічного руйнування, які через мікроструктурну інженерію можна перетворити на ідеальні матеріали.

Самовідновні матеріали — широкий напрямок у матеріалознавстві. Так нещодавно Nauka.ua писала про те, як м'який електронний композит пережив розтягування, відновився після пошкоджень та навіть піддався переробці.