Керамика устойчива к жаре и экстремальным условиям окружающей среды, но она хрупкая и легко трескается. Недавно в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , ученые из Техасского университета A&M обнаружили механизм самовосстановления в керамике, называемый MAX-фазами.
Они показали, что эта инженерная керамика во время нагрузки образует естественные разломы или полосы перегиба, которые могут не только эффективно останавливать рост трещин, но также закрывать и залечивать их, тем самым предотвращая катастрофические разрушения.
«Что действительно интересно в фазах MAX, так это то, что они легко образуют полосы перегиба под нагрузкой, которые могут самостоятельно залечивать трещины даже при комнатной температуре, что делает их пригодными для множества сложных структурных приложений», — сказал Анкит Шривастава, доцент кафедры Материаловедение и инженерия, а также автор-корреспондент по исследованию . «До сих пор самозаживление трещин в керамике достигалось только при очень высоких температурах путем окисления, и именно поэтому самозаживление трещин при комнатной температуре за счет образования полос изгиба замечательно».
Это замечательное поведение MAX-фаз можно проследить до их атомно-слоистой структуры.
«Представьте себе простую буханку хлеба, она однородна, поэтому, если я разрежу ее, каждый ломтик будет выглядеть одинаково — по идее, как обычная керамика», — сказал Миладин Радович, профессор кафедры материаловедения и инженерии, а также автор-корреспондент по исследованию. «Но фазы MAX расположены слоями, как бутерброд с арахисовым маслом между двумя ломтиками хлеба».
Затем исследователи выяснили, отличается ли эта уникальная слоистая структура фаз MAX от обычной керамики. Для своих экспериментов они использовали монокристаллические образцы MAX-фазы карбида хрома-алюминия, синтезированные Тьерри Уиссом из Университета Гренобля-Альп, Франция, и старшим автором исследования, и загрузили их в электронный микроскоп с использованием испытательной установки собственной разработки.
Когда исследователи рассмотрели деформирующийся образец в электронном микроскопе при приложении нагрузки, они заметили, что в материале образовались дефекты, похожие на полосы изгиба, похожие на те, что образовались в естественных породах. Что еще более интересно, они обнаружили, что материал внутри полос перегиба вращается во время нагружения, что не только создает барьер против распространения трещин, но также в конечном итоге закрывает и залечивает трещины. Как следствие, образец больше не был подвержен разрушению.
«Что действительно интересно, так это то, что этот механизм перегиба или самовосстановления может повторяться снова и снова, закрывая вновь образованные трещины, тем самым задерживая разрушение материала», — сказал Хемант Ратод, докторант кафедры материаловедения и инженерии, ведущий автор исследования.
Текущее открытие, что материалы, устойчивые к воздействию тепла и экстремальных сред, таких как фазы MAX, а также самозаживляющиеся трещины, которые могут образовываться во время эксплуатации, может способствовать развитию множества технологий следующего поколения, например, эффективных реактивных двигателей, гиперзвуковых полетов и более безопасных ядерных реакторов. . Исследователи также отметили в текущем исследовании, что вызванное полосой изгиба самозаживление трещин, скорее всего, не является уникальным для MAX-фаз и может быть распространено на другие материалы с аналогичной атомно-слоистой структурой.
«Это исследование демонстрирует интуитивную прозорливость научного процесса», — говорит Сиддик Кидвай, директор программы Управления инженерии Национального научного фонда. «У нас были самовосстанавливающиеся мягкие материалы и полимерные композиты, а теперь, что примечательно, керамика».
Дополнительная информация: Хемант Дж. Ратод и др., Заживление трещин при комнатной температуре в атомно-слоистом тройном карбиде, Science Advances (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abg2549
Иллюстрация: Хемант Ратод наблюдает за образцом карбида хрома-алюминия перед тем, как загрузить его в растровый электронный микроскоп. Предоставлено: Дхармеш Патель / Texas A&M Engineering.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК