Битая посуда два века живет, а небитая три

Если ее будут изготавливать из новой керамики. Дело в том, что исследователи обнаружили способ сделать керамику более прочной и устойчивой к растрескиванию.

Создавая эти материалы с использованием смеси атомов металлов, имеющих больше электронов на внешней оболочке, группа специалистов под руководством инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего раскрыла потенциал, позволяющий керамике выдерживать более высокие нагрузки и напряжения, чем раньше.

Керамика обладает множеством преимуществ благодаря своим замечательным свойствам, включая способность выдерживать экстремально высокие температуры, противостоять коррозии и износу поверхности, а также сохранять легкий вес. Эти свойства делают их пригодными для использования в различных областях, таких как аэрокосмические компоненты и защитные покрытия для двигателей и режущих инструментов. Однако их слабым местом всегда была хрупкость. Они легко ломаются под нагрузкой.

Но теперь исследователи нашли решение, которое позволяет сделать керамику более прочной. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Science Advances.

Исследование, проведенное под руководством профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Кеннета Веккио, посвящено классу керамики, известному как высокоэнтропийные карбиды. Эти материалы имеют крайне неупорядоченную атомную структуру, состоящую из атомов углерода, соединенных с несколькими металлическими элементами из четвертого, пятого и шестого столбцов периодической таблицы. К таким металлам относятся, например, титан, ниобий и вольфрам. Исследователи пришли к выводу, что ключ к повышению прочности керамики лежит в использовании металлов из пятого и шестого столбцов периодической таблицы, поскольку у них большее количество валентных электронов.

Валентные электроны — те, которые находятся во внешней оболочке атома и участвуют в связях с другими атомами, — оказались решающим фактором. Используя металлы с большим количеством валентных электронов, исследователи успешно повысили устойчивость материала к растрескиванию при механических нагрузках и напряжениях.

Эти дополнительные электроны важны, поскольку они делают керамический материал более пластичным, то есть он может подвергаться большей деформации, прежде чем разрушится, подобно металлу, — говорит Веккио.

Чтобы лучше понять этот эффект, группа Веккио сотрудничала с Давиде Санджованни, профессором теоретической физики из Университета Линчепинга (Швеция). Санджованни выполнил вычислительное моделирование, а группа Веккио экспериментально изготовила и испытала материалы.

Группа исследовала высокоэнтропийные карбиды, содержащие различные комбинации пяти металлических элементов. Каждая комбинация давала различную концентрацию валентных электронов в материале.

Благодаря высокой концентрации валентных электронов были обнаружены два высокоэнтропийных карбида, которые демонстрировали исключительную устойчивость к растрескиванию под нагрузкой или напряжением. Один из них состоял из металлов ванадия, ниобия, тантала, молибдена и вольфрама. В другом варианте ниобий заменен на хром.

При механической нагрузке или напряжении эти материалы способны деформироваться или растягиваться соответственно, что напоминает поведение металлов, а не типичную хрупкую реакцию керамики. При проколе или растяжении этих материалов связи начинали разрываться, образуя отверстия размером с атом. Дополнительные валентные электроны вокруг атомов металла реорганизуются, перекрывая эти отверстия и образуя новые связи между соседними атомами металла. Этот механизм сохраняет структуру материала вокруг отверстий, эффективно препятствуя их увеличению и образованию трещин.

Мы обнаружили, что на наноуровне происходит трансформация, в ходе которой перестраиваются связи, удерживающие материал вместе, — говорит соавтор исследования Кевин Кауфман, выпускник факультета наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего из лаборатории Веккио.

Вместо того чтобы просто расщепляться прямо по поверхности излома, материал медленно разрывается, как веревка при натяжении. Таким образом, материал может выдержать происходящую деформацию и не разрушиться хрупким образом.

Теперь задача состоит в том, чтобы увеличить масштабы производства этой прочной керамики для коммерческого применения. Это может помочь изменить технологии, в которых используются высокоэффективные керамические материалы — от аэрокосмических компонентов до биомедицинских имплантатов.

Обнаруженная прочность керамики также открывает путь к ее использованию в экстремальных областях, например, в качестве передних кромок гиперзвуковых аппаратов. Более жесткая керамика может служить передней защитой таких аппаратов, защищая жизненно важные компоненты от столкновения с обломками и позволяя аппаратам лучше выдерживать сверхзвуковые полеты, пояснил Веккио.

Устранив давнее ограничение керамики, мы сможем значительно расширить ее применение и создать материалы нового поколения, способные произвести революцию в нашем обществе, — заключает Веккио.

19.10.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса