伟大的圣彼得堡理工大学的彼得 复合材料晶界上的裂纹扩展
石墨烯板用绿线标记
荣誉:彼得大帝
彼得堡理工大学 彼得大帝的物理学家和材料科学家
彼得堡理工大学分析了由陶瓷和石墨烯板制成的纳米材料的结构，其中裂纹出现得最频繁
描述这种规律性的模型的首次试验结果发表在《材料力学杂志》上
这种模型将有助于制造抗裂材料
这项研究得到了俄罗斯科学基金会的资助
石墨烯是最轻和最强的碳复合材料
此外，它具有非常高的导电性
由于这些特性，石墨烯通常包含在新的陶瓷基材料的成分中
陶瓷耐高温，如果添加碳改性，复合材料就变得多功能化
将来，它们可以用于生产柔性电子器件、传感器、建筑和航空
从这种复合材料的许多实验研究中可知，它们的机械特性是由复合材料中石墨烯的比例和陶瓷基体中石墨烯片的尺寸决定的
例如，在低石墨烯浓度的情况下，借助于长板实现了高抗裂性
然而，在最近的一个由氧化铝陶瓷和石墨烯合成材料的实验中，显示出相反的效果:板越大，抗裂性越弱
圣彼得堡的研究人员开发了一个理论模型来解释这个悖论
物理学家认为复合材料中裂纹的形成与所谓的陶瓷颗粒的边界有关，陶瓷颗粒是形成材料的微观晶体
复合材料中的石墨烯片可以位于陶瓷颗粒的边界和颗粒内部
在纳米晶材料的拉伸变形过程中，晶粒相对滑动，裂纹扩展到它们的边界
但是为什么石墨烯的加入在某些情况下会阻止这一过程，而在其他情况下却不会呢？为了找到答案，科学家们开发了一个数学模型，该模型考虑了拉伸载荷、摩擦力、复合材料的弹性模量以及陶瓷颗粒和石墨烯板尺寸之间的相关性
在该模型的帮助下，科学家计算了三种不同复合材料的应力强度因子的临界值
当超过这些值时，裂纹会在材料中蔓延
复合材料的陶瓷颗粒大小不同(从1
23比1
58微米)和石墨烯片的长度和宽度(从193到1070和从109到545纳米)
发现石墨烯片的长度越接近晶界线的长度，应力强度因子的临界值越低
不同材料的价值差异高达20%
这与之前公布的实验数据一致:在晶界长度和石墨烯片长度接近的情况下，材料的抗裂性下降
这意味着为了使材料更坚固，石墨烯片的长度必须比陶瓷颗粒小得多
“观察到的规律性对细晶粒陶瓷是有效的，毕竟，通过减小晶粒尺寸，新复合材料的创造者给它们增加了更多的功能，”物理和数学科学博士亚历山大·谢勒曼解释说，他是NTI国家技术计划高级制造技术中心“新纳米材料的力学”研究实验室的负责人
因此，晶粒细化的效果可能是矛盾的，例如，硬度增加，但材料变得更加脆弱
我们的模型有助于挑选石墨烯片尺寸和颗粒尺寸之间的相关性，这提供了更好的机械和功能特性
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