Механические свойства

Твердость, прочность, пластичность, упругие характеристики наноматериалов интенсивно изучаются при комнатных, низких и высоких температурах. Независимо от области применения любые материалы должны отвечать определенным механическим характеристикам. Последнее определяет интерес к исследованию проблем деформации и разрушения, не говоря уже о специфике разработок в области конструкционных материалов, эксплуатация которых определяется прежде всего уровнем механических свойств. Прочность и особенно пластичность являются высоко стуктурно-чувствительными параметрами и для них проблема аттестации применительно к наноматериалам приобретает первостепенное значение.

Если твердость как наименее структурно-чувствительная характеристика закономерно увеличивается с уменьшением размера зерна, то прочность и особенно пластичность существенно снижаются. Электронно-микроскопическое исследование образцов обнаружило наличие в структуре несплошностей и пор с надрезами, которые провоцировали зарождение трещин, что способствовало снижению показателей прочности и особенно пластичности, нивелируя положительное влияние наноструктуры.

Наличие пор и других дефектов, остаточные напряжения, примеси в объеме зерен и на поверхностях раздела, текстура – все это должно учитываться при анализе механических свойств наноматериалов.

В силу трудностей изготовления нанокристаллических образцов для испытания на растяжение, преимущественное распространение получили испытания на твердость; для проведения последних используют небольшие образцы произвольной формы. Для наноструктурных пленок это также широко распространенный метод, который в последнее время реализуется с использованием специальной аппаратуры – наноинденторов, применяющих весьма небольшие нагрузки (около 0,01 Н и менее) и измерения в процессе нагружения. Однако несмотря на относительную простоту исследования твердости, всегда нужно обращать внимание на интервал используемых нагрузок, толщину пленок, топографию их поверхности, остаточные напряжения и другие факторы, влияющие на твердость.

В тех случаях, когда нанокристаллические образцы имеют размеры, достаточные для проведения испытаний на растяжение (продольный размер такого образца должен намного превосходить поперечный размер, а последний в свою очередь должен существенно превышать размер зерна), может быть получена информация о пределе текучести, пределе прочности и относительном удлинении при одноосном растяжении.

Механические свойства фуллерита и других углеродных материалов

Фуллерит – кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов.

Фуллерены – сферические молекулы углерода Сn с различной молекулярной массой от n=20 до 96. Самым распространенным фуллереном является бакминстерфуллерен С₆₀, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, образующих усеченный икосаэдр.

Ученые обратили внимание на необычайно высокую механическую и химическую устойчивость молекулы С₆₀. Характеристикой устойчивости к внешним механическим деформациям служит модуль объемного сжатия:

В=Vd²E/dV².

Формальная оценка дает величину В от 720до 900 ГПа, т.е. молекула С₆₀ «менее сжимаема», чем кристалл алмаза (В=450 ГПа). Хорошо известно, что атомы углерода в гексагональных сетках графита связаны между собой ковалентными связями, которые прочнее, чем связи у алмаза. Кристалл из молекул С₆₀ – фуллерит имеет сжимаемость, которая примерно в 50 раз ниже, чем сжимаемость отдельной молекулы.

Микротвердость является мерой сопротивления образца упруго-пластическому внедрению в него более жесткого тела. Установлено, что пластичность фуллеритов определяется дислокационными механизмами. Микротвердость монокристаллического С₆₀≈150-200 МПа и изменяется по мере старения образцов на воздухе в результате фотостимулированного окисления поверхности. По механическим характеристикам аморфные фазы углерода лишь немного уступают соответствующим показателям алмаза.

С точки зрения поиска сверхтвердых материалов наибольший интерес вызывают упругие и механические свойства. Все модификации фуллерита, полученные в результате действия давления, имеют высокие значения твердости.

Плотные модификации, полученные из фуллеритов при высоком давлении, представляют собой новый класс как кристаллически упорядоченных, так и разупорядоченных фаз углерода. Уникальная комбинация достаточно высокой твердости, пластичности и трещиностойкости делают данные углеродные материалы достаточно перспективными.

В монокристаллах С₆₀ при комнатной температуре был обнаружен магнитопластический эффект, который заключается в том, что после экспозиции кристаллов в импульсном магнитном поде наблюдается долговременное изменение микротвердости Hv кристаллов. Остаточные изменения Hv достигают 10% в магнитном поле с амплитудой В=25 Т и длительностью ~ 100 μс и могут быть обнаружены как сразу после экспозиции кристалла в магнитном поле, так и в течение суток после неё.