В Китаї синтезували алмаз, що не можна розбити — він у шість разів міцніший за вольфрамові сплави

Китайські вчені розробили алмазний композит, в якому вдалося усунути одне з головних обмежень алмаза — надзвичайно високу твердість при порівняно низкій тріщиностійкості. На допомогу прийшли вуглецеві нанотрубки, але «рецепт» виготовлення виявився непростим.

Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT/3DNews

Про прорив повідомили дослідники з Інституту фізики Китайської академії наук, Бейханського університету та ряду інших наукових центрів. Врешті-решт їм вдалося вбудувати в полікристалічну алмазну матрицю тривимірну мережу багатошарових вуглецевих нанотрубок (MWCNT).

Отриманий матеріал зберіг твердість за Віккерсом до 91,6 ГПа, тобто на рівні монокристалічного алмаза, але середня тріщиностійкість або в'язкість руйнування досягла 31,9 МПа·м^1/2, а максимальне виміряне значення — 36,4 МПа·м^1/2. Це приблизно в п'ять-шість разів вище характерного показника звичайного монокристалічного алмаза і, за даними авторів, кратно перевищує в'язкість руйнування ряду вольфрамових сплавів.

Для отримання композиту дослідники використовували алмазний порошок з розміром зерен 0,8–1,3 мкм і багатошарові вуглецеві нанотрубки з зовнішнім діаметром 10–20 нм, внутрішнім діаметром 5–10 нм і довжиною 10–20 мкм. Остаточне спікання проводилося в пресі при тиску 15 ГПа. Оптимальною виявилася температура близько 2000 °C. В результаті отримувалися циліндричні зразки діаметром близько 3 мм і товщиною 2 мм. Залишені в процесі спікання нанотрубки займали всього близько 0,35 % об'єму матеріалу, але утворювали безперервну просторову мережу в проміжках між алмазними зернами. І це вирішило все.

Мережа з нанотрубок працювала подібно до армуючих волокон, що зв'язують сусідні алмазні зерна. В областях максимального тиску під час виготовлення нанотрубки частково перетворювалися на алмаз. Завдяки цьому вони не просто механічно розташовувалися між кристалами, а місцями виявлялися ковалентно «вшитими» в алмазний каркас, тоді як міцні зв'язки безпосередньо між алмазними зернами зберігали виключно високу твердість матеріалу.

При виникненні тріщини така структура змушувала її витрачати значно більше енергії на розповсюдження. Замість прямого розповсюдження по площині, характерного для крихкого руйнування алмаза, тріщина багаторазово відхилялася, розгалужувалася і змінювала напрямок. Нанотрубки при цьому витягувалися з матриці і утворювали перемички між розділеними зернами.

Врешті-решт навіть цей чудо-алмаз можна зруйнувати, але поєднання практично алмазної твердісті з настільки високою стійкістю до розвитку тріщин робить матеріал перспективним для виготовлення зносостійкого ріжучого інструменту, надтвердих керамік та інших деталей, які одночасно зазнають сильного тиску та ударних навантажень, наприклад, в аерокосмічній галузі.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки