Группа исследователей из США разработала новую структуру керамического материала, обладающую сверхнизкой плотностью, наряду с высокой прочностью и способностью поглощать механическую энергию. Также новый материал отличается способностью восстанавливать свою первоначальную форму после сжатия, при котором деформация превышает 50%. Предыдущие работы ученых уже продемонстрировали, что наноструктурированные керамические материалы прочнее и жестче, чем обычная объемная керамика. Однако хрупкость этих материалов до сих пор не позволяла широко их применять.

Группа ученых из Калифорнийского Технологического Института (California Institute of Technology)  (США) создала новый материал, собрав нанотрубки из окиси алюминия в объемную структуру, которая широко используется при реализации крупномасштабных строительных проектов.

Речь идет о связках нанотрубок в виде ферм, содержащих пять и более треугольных блоков. Для своей работы ученые выбрали структуру, состоящую из восьми треугольников, поскольку нанотрубки в решетке с такой геометрией при деформации испытывают по большей части растяжения и сжатия, а не изгибаются (есть несколько публикаций, описывающих процесс сжатия слоев подобной структуры при деформации, на которые ученые опирались при подготовке эксперимента).

Эксперимент проводился с конструкциями из алюминиевых нанотрубок с толщиной стенки от 5 до 60 нм и диаметром от 0,45 до 1,38 мкм. Ширина элементарной ячейки созданной ими решетки при этом варьировалась от 5 до 15 мкм. Эксперименты по сжатию конструкции проводились в инденторе для определения предела текучести и модуля Юнга под возвоздействием периодической нагрузки.

Во время эксперимента ученые обнаружили, что существует некое критическое отношение толщины стенки нанотрубки к ее диаметру. Если характеристики трехмерной структуры таковы, что отношение толщины стенки к диаметру нанотрубки ниже этого критического значения, созданная из таких трубок решетка может деформироваться за счет растяжения и сжатия отдельных нанотрубок (а не за счет разрушения самой конструкции). Это соотношение не является специфичным для какого-то одного масштаба, но при условии его применения в наномасштабе удается создать относительно лишенные недостатков материалы (близкие к идеальным), что дает возможность получить именно упругую деформацию, без разрыва.

Исследования авторов показали, что структуры, изготовленные из нанотрубок с соотношением толщины стенки к диаметру более 0,03, испытывают линейную упругую деформацию (по аналогии с резиной) с неожиданно возникающим напряжением, ведущим к разрушению всей конструкции. А конструкции из нанотрубок с отношением толщины стенки к диаметру менее 0,02, наоборот, демонстрировали упругую, а впоследствии – пластичную деформацию (по аналогии с металлами, к примеру, медью), без разрушения.

Разумеется, что подобный результат удивил исследователей, поскольку созданная ими конструкция при определенных условиях ведет себя совсем не так, как любой другой твердый макро-материал. Исследователи разработали модель для описания критической точки перехода между двумя видами деформации, расчеты по которой полностью совпали с полученными экспериментальными данными. В ближайшее время научная группа планирует улучшить характеристики созданных ими конструкций, благодаря этой теоретической модели.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.

 

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс