Исследователям из Китая удалось получить новый алмазный композит, который сочетает чрезвычайно высокую твёрдость с необычной для алмаза устойчивостью к образованию и распространению трещин. Для этого в поликристаллическую алмазную структуру встроили трёхмерную сеть углеродных нанотрубок. В результате материал сохранил твёрдость, сопоставимую с монокристаллическим алмазом, но стал значительно лучше выдерживать механические нагрузки.

Средняя вязкость разрушения нового композита достигла 31,9 МПа·м¹/², а максимальный зафиксированный показатель составил 36,4 МПа·м¹/². Это примерно в пять-шесть раз выше типичных значений для обычного монокристаллического алмаза. Разработка может найти применение там, где одновременно требуются исключительная твёрдость, износостойкость и способность противостоять ударным нагрузкам — от промышленного режущего инструмента до аэрокосмической техники.

Алмаз сделали менее хрупким

Алмаз известен прежде всего как один из самых твёрдых природных материалов. Однако высокая твёрдость вовсе не означает, что его невозможно разрушить. При определённых механических воздействиях в кристалле появляются трещины, которые способны быстро распространяться и приводить к разрушению материала.

Именно эту проблему попыталась решить группа исследователей из Института физики Китайской академии наук, Бэйханского университета и других научных организаций.

Учёные не стали отказываться от преимуществ алмазной структуры. Вместо этого они добавили в поликристаллическую матрицу многостенные углеродные нанотрубки, сформировавшие внутри материала своеобразный армирующий каркас.

Твёрдость осталась практически на уровне обычного алмаза

Одной из главных сложностей при создании подобных композитов является необходимость повысить устойчивость к разрушению, не потеряв при этом ключевое преимущество алмаза — его твёрдость.

В данном случае исследователям удалось сохранить твёрдость по Виккерсу на уровне до 91,6 ГПа. Этот показатель сопоставим с характеристиками монокристаллического алмаза.

При этом значительно изменилась способность материала сопротивляться распространению трещин. Средняя вязкость разрушения составила 31,9 МПа·м¹/², а в лучших образцах достигала 36,4 МПа·м¹/².

Таким образом, речь идёт не о буквально «неразрушимом» алмазе, а о материале, который намного сложнее разрушить механически по сравнению с традиционной алмазной структурой.

Как изготавливали новый материал

Для экспериментов использовался мелкодисперсный алмазный порошок. Размер отдельных зёрен составлял приблизительно от 0,8 до 1,3 мкм.

К нему добавлялись многостенные углеродные нанотрубки значительно меньшего диаметра. Их внешний диаметр находился в диапазоне 10–20 нм, внутренний — 5–10 нм, а длина достигала 10–20 мкм.

Полученную смесь подвергали спеканию при экстремально высоком давлении — около 15 ГПа. Наиболее подходящей оказалась температура примерно 2000 °C.

После обработки исследователи получали небольшие цилиндрические образцы диаметром около 3 мм и толщиной порядка 2 мм.

Всего 0,35% нанотрубок заметно изменили свойства алмаза

Особенно интересным оказался объём армирующего материала. Сохранившиеся после спекания углеродные нанотрубки составляли лишь около 0,35% общего объёма композита.

Несмотря на столь небольшую концентрацию, они сформировали непрерывную трёхмерную сеть в пространстве между алмазными зёрнами.

Эта структура действует по принципу армирования. Нанотрубки связывают соседние участки материала и препятствуют свободному распространению возникающих повреждений.

Более того, под воздействием высокого давления часть углеродных нанотрубок непосредственно во время производства преобразовывалась в алмазную структуру. Благодаря этому отдельные участки армирующей сети оказывались фактически встроены в общий алмазный каркас посредством прочных химических связей.

Одновременно между самими алмазными зёрнами сохранялись связи, необходимые для поддержания высокой твёрдости.

Трещине приходится постоянно менять направление

Главное преимущество новой структуры проявляется после появления повреждения.

В обычном хрупком материале трещина может распространяться относительно прямолинейно, быстро увеличиваясь и в конечном итоге разрушая изделие. В созданном китайскими исследователями композите этот процесс значительно усложняется.

Внутренняя сеть заставляет трещину отклоняться от первоначального направления, разветвляться и проходить более сложный путь. На каждый такой процесс требуется дополнительная энергия.

Одновременно нанотрубки способны вытягиваться из окружающей матрицы и формировать своеобразные микроскопические перемычки между расходящимися алмазными зёрнами. В результате дальнейшее разрушение материала дополнительно замедляется.

Именно сочетание нескольких механизмов сопротивления распространению трещин позволило значительно повысить вязкость разрушения, практически не пожертвовав твёрдостью.

Где может пригодиться сверхпрочный алмазный композит

Полученный материал всё же нельзя считать абсолютно неразрушимым. При достаточной нагрузке повредить можно и его. Однако сочетание алмазной твёрдости с высокой трещиностойкостью открывает интересные возможности для промышленного применения.

В первую очередь технология перспективна для режущего и бурового инструмента, который одновременно подвергается интенсивному износу, давлению и ударам. Более долговечные алмазные элементы потенциально смогут увеличить срок службы такого оборудования.

Другим направлением может стать производство сверхтвёрдых конструкционных материалов и специализированной керамики. Подобные композиты также представляют интерес для аэрокосмической отрасли и других областей, где детали должны сохранять механические свойства в экстремальных условиях.

Пока технология остаётся сложной для массового производства: получение материала требует давления около 15 ГПа и температуры порядка 2000 °C. Тем не менее эксперимент показывает важный принцип — даже небольшое количество правильно встроенных углеродных наноструктур способно существенно изменить поведение одного из самых твёрдых материалов на планете.