Разработан новый способ получения алмазных композитов
Ученые разработали не требующий запредельных давлений способ получения алмазных композитов. О методике, а также любопытном открытии, случайно сделанном в ходе экспериментов, они рассказали в журнале Materials Today.
Мелкие алмазные частицы относительно дешевы и просты в получении, но их соединение в достаточно крупные монолитные структуры связано с серьезными техническими трудностями. Обычно для этого применяется спекание под действием высоких температур и давления. Причем давление нужно поистине колоссальное — иначе алмаз превращается в графит.
Исследователи смешали микроскопические зерна алмаза с кубическим нитридом бора и кобальтом, который выполнял роль стабилизатора и катализатора. Спекание, чтобы максимально сократить его время, выполнили методом искрового плазменного нагрева. Получился исключительно прочный композит, в котором частицы алмаза заключены в матрицу из нитрида бора с равномерно распределенным по объему кобальтом.
«Полученный композит почти не поддается механической обработке, он чрезвычайно вязкий благодаря алмазным включениям. Такие материалы могут пригодиться при создании более надежных конструкций для аэрокосмической и оборонной техники, а также для любых устройств, работающих в жестких условиях», — пояснил ведущий автор исследования Абхиджит Бисвас из Университета Райса.
Полученный материал испытали, стреляя по нему металлическими шариками. Он выдерживал выстрелы со скоростью до 8 Махов, а при дальнейшем ее увеличении превратился в графит мгновенно во время удара.
«Мы увидели, что экстремальный удар за микросекунды превратил алмаз в графит — и без медленного нагрева, который обычно к этому приводит. Это натолкнуло на мысль о необычном поведении алмаза в самых суровых механических условиях», — сказал Бисвас.
Исследователи изучили фрагменты разрушенного образца и провели молекулярно-динамическое моделирование перестройки атомов. Анализ выявил области, где алмаз и графит соприкасаются, что позволило проследить механизм превращения.
Оказалось, энергия удара почти вся ушла на структурную перестройку атомов — что и обеспечило огромную ударную вязкость алмаза. Таким образом, внутренние фазовые переходы могут повышать стойкость материалов в экстремальных условиях.
«Понимание того, как под нагрузкой меняются структура и фазовое состояние материалов, а также их прочностные характеристики, — это важный шаг к созданию новых защитных материалов будущего», — заключил Бисвас.
Результаты исследования будут полезны в разработке брони и материалов для космической техники, которые должны выдерживать удары микрометеоритов.
