Усталостная прочность графена

Графен - это парадокс. Это самый тонкий материал, известный науке, но также и он один из самых прочных.

Исследования, проведенные в Университете Торонто, показывают, что графен также обладает высокой устойчивостью к усталости и способен выдерживать более миллиарда циклов высоких нагрузок до его разрушения.

Тест на усталость показывает, что графен не трескается под давлением

Графен напоминает лист взаимосвязанных гексагональных колец, похожий на рисунок, который вы можете увидеть на плитке для ванных комнат. На каждом углу находится один атом углерода, связанный с его тремя ближайшими соседями. Хотя лист может простираться в поперечном направлении на любую область, его толщина составляет всего один атом.

Собственная прочность графена была измерена при более чем 100 гигапаскалях, среди самых высоких значений, зарегистрированных для любого материала. Но материалы не всегда выходят из строя, потому что нагрузка превышает их максимальную прочность. Небольшие, но повторяющиеся напряжения могут ослабить материалы, вызывая микроскопические дислокации и трещины, которые медленно накапливаются с течением времени, процесс, известный как усталость.

«Чтобы понять усталость, представьте, как сгибаете металлическую ложку», - говорит профессор Тобин Филлетер, один из старших авторов исследования, которое недавно было опубликовано в Nature Materials. «В первый раз, когда вы сгибаете её, она просто деформируется. Но если вы продолжите работать с ней взад и вперед, в конечном итоге она поломается надвое».

Исследовательская группа, состоящая из Филлетера, коллег профессоров инженерного факультета Университета Торонто Чандры Веера Сингха и Ю Суна, их студентов и сотрудников Университете Райса, хотела узнать, как графен выдержит многократные нагрузки. Их подход включал как физические эксперименты, так и компьютерное моделирование.

«В нашем атомистическом моделировании мы обнаружили, что циклические нагрузки могут привести к необратимой реконфигурации связей в решетке графена, что приведет к катастрофическому разрушению при последующей нагрузке», - говорит Сингх, который вместе с постдокторантом Санхой Мукерджи руководил моделированием. «Это необычное поведение, хотя связи меняются, нет никаких явных трещин или дислокаций, которые обычно образуются в металлах, до момента разрушения».

Тенг Цуй, под совместным руководством Филлетера и Суна, использовал Центр нанотехнологий в Торонто для создания физического устройства для экспериментов. Конструкция состояла из кремниевой микросхемы, с вытравленными пол миллионом крошечных отверстий диаметром всего несколько микрометров. Графеновый лист был растянут над этими отверстиями, как крошечный барабан.

Используя атомно-силовой микроскоп, Цуй опускал зонд с алмазным наконечником в отверстие, чтобы протолкнуть лист графена, применяя от 20 до 85 % силы, которая, как он знал, сломает материал.

Исследователи из Технического университета Торонто использовали атомно-силовой микроскоп (на фото) для измерения способности графена противостоять механической усталости. Они обнаружили, что материал может выдержать более миллиарда циклов высоких нагрузок до разрушения. 

«Мы запускали циклы со скоростью 100 000 раз в секунду», - говорит Цуй. «Даже при 70 % от максимального напряжения графен не разрушался более трех часов, что составляет более миллиарда циклов. При более низких уровнях напряжения некоторые из наших испытаний длились более 17 часов».

Как и в случае моделироавания, графен не накапливал трещин или других характерных признаков усталости - он либо ломался, либо нет.

«В отличие от металлов, при усталостной нагрузке графен не имеет прогрессивного повреждения», - говорит Сун. «Его разрушение является глобальным и катастрофическим, что подтверждают результаты моделирования».

Команда также провела испытания соответствующего материала, оксида графена, в котором небольшие группы атомов, такие как кислород и водород, связаны как с верхней, так и с нижней частью листа. Его усталостное поведение было больше похоже на традиционные материалы. Это говорит о том, что простая, правильная структура графена вносит основной вклад в его уникальные свойства.

«Нет других материалов, которые были бы изучены в условиях усталости, которые ведут себя так же, как графен», говорит Филлетер. «Мы все еще работаем над некоторыми новыми теориями, чтобы попытаться понять это».

С точки зрения коммерческого применения, Филлетер говорит, что графенсодержащие композиты - смеси обычного пластика и графена - уже производятся и используются в спортивном оборудовании, таком как теннисные ракетки и лыжи.

В будущем такие материалы могут начать использоваться в автомобилях или самолетах, где упор на легкие и прочные материалы обусловлен необходимостью снижения веса, повышения эффективности использования топлива и улучшения экологических характеристик.

«Было проведено несколько исследований, позволяющих предположить, что графенсодержащие композиты обладают повышенной устойчивостью к усталости, но до сих пор никто не измерял усталостные характеристики основного материала», - говорит он. «Наша цель при этом состояла в том, чтобы достичь этого фундаментального понимания, чтобы в будущем мы могли проектировать композиты, которые работают еще лучше». опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet