Los físicos y científicos de materiales de la Universidad Politécnica Pedro el Grande de San Petersburgo (SPbPU) analizaron las estructuras en nanomateriales hechos de placas de cerámica y grafeno, en el que las grietas aparecen con mayor frecuencia. Los resultados del primer ensayo del modelo, que describe esta regularidad, fueron publicados en el Diario de Mecánica de Materiales . Este modelo ayudará en la creación de materiales resistentes a las grietas. La investigación fue apoyada por la subvención de la Russian Science Foundation.

El grafeno es el compuesto de carbono más ligero y resistente. Es más, tiene una conductividad eléctrica muy alta. Debido a estas características, el grafeno se incluye a menudo en la composición de nuevos materiales a base de cerámica. Las cerámicas son resistentes a altas temperaturas, y, si se agregan modificaciones de carbono, los compuestos se vuelven multifuncionales. En el futuro, se pueden utilizar en la producción de dispositivos electrónicos flexibles, sensores, en construcción y aviación.

Se sabe por muchos estudios experimentales de tales compuestos que sus características mecánicas están determinadas por la proporción de grafeno en la composición y por el tamaño de las placas de grafeno asignadas en la matriz cerámica. Por ejemplo, en el caso de baja concentración de grafeno, Se logró una alta resistencia al agrietamiento con la ayuda de placas largas. Sin embargo, en uno de los experimentos recientes de síntesis de materiales a partir de cerámica de alúmina y grafeno, se mostró el efecto contrario:como las placas eran más grandes, la resistencia al agrietamiento fue más débil. Los investigadores de San Petersburgo han desarrollado un modelo teórico que explica esta paradoja.

Los físicos supusieron que la formación de grietas en los compuestos está relacionada con los límites de los llamados granos cerámicos, cristales microscópicos que forman el material. Las placas de grafeno en los compuestos se pueden ubicar tanto en los límites de los granos cerámicos como en los granos internos. En el curso de la deformación por tracción de materiales nanocristalinos, los granos se deslizan entre sí, y las grietas se extienden por sus límites. Pero, ¿por qué las adiciones de grafeno detienen este proceso en algunos casos y no lo detienen en otros? Para encontrar la respuesta los científicos desarrollaron un modelo matemático que tiene en cuenta la carga de tracción, la fuerza de fricción, módulos elásticos del material compuesto, y la correlación entre las dimensiones de los granos cerámicos y las placas de grafeno. Con la ayuda del modelo, los científicos calcularon los valores críticos del factor de intensidad del estrés para tres compuestos diferentes. Cuando se superaron estos valores, las grietas se extienden por todo el material. Los compuestos variaban en el tamaño de los granos cerámicos (de 1,23 a 1,58 micrómetros) y la longitud y el ancho de las placas de grafeno (de 193 a 1070 y de 109 a 545 nanómetros).

Se descubrió que cuanto más se acerca la longitud de las placas de grafeno a la longitud de las líneas fronterizas del grano, cuanto menor sea el valor crítico del factor de intensidad del estrés. La diferencia de valor para diferentes materiales llega hasta el 20%. Es congruente con los datos experimentales publicados anteriormente:solo en valores cercanos de la longitud del límite del grano y la longitud de las placas de grafeno, la resistencia al agrietamiento del material disminuyó. Esto implica que para hacer el material más fuerte, Las placas de grafeno deben tener una longitud sustancialmente más pequeña que los granos de cerámica.

"La regularidad observada es válida para cerámicas de grano fino, y, después de todo, reduciendo el tamaño de grano, los creadores de nuevos materiales compuestos les agregan más funcionalidad, "explica Alexander Sheinerman, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, el jefe del laboratorio de investigación "La Mecánica de Nuevos Nanomateriales" del Centro de Tecnologías de Fabricación Avanzadas de la Iniciativa Tecnológica Nacional NTI SPbPU. "Con eso, los efectos del refinamiento del grano pueden ser contradictorios, por ejemplo, la dureza sube, pero el material se vuelve más frágil. Nuestro modelo ayuda a elegir la correlación entre el tamaño de la placa de grafeno y el tamaño de los granos, que aportan mejores características mecánicas y funcionales ".