Нанотехнологии позволяют керамике противостоять быстрому изменению температуры

Массив нанообразований на поверхности керамики. (кликните картинку для увеличения)

Массив нанообразований на поверхности керамики. (кликните картинку для увеличения)

07.04.2010 (11:10)
Просмотров: 4061
Рейтинг: 2.00
Голосов: 2

Теги:
керамика, температура, нанотехнология, наноструктура,
Технология >> Нанотехнология






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Ученые из Китая нашли способ защитить керамику от появления трещин при быстром охлаждении с помощью нанотехнологий. Оказалось, что для этого достаточно снабдить керамический образец поверхностным слоем нановолокон.

Керамические изделия ценны с точки зрения промышленности благодаря ее сопротивляемости высоким температурам, а также химической коррозии. Однако, известно, что при слишком быстром охлаждении керамические изделия могут треснуть. Один из ярких примеров подобного процесса – выливание горячего металла из керамической емкости, которая быстро остывает, взаимодействуя с окружающим воздухом или водой.

Но почему происходит разрушение материала? Процесс быстрого охлаждения сопровождается возникновением значительного градиента температуры в объеме керамики. Если внешние слои материала оказываются холодными, то внутренние – имеют все еще слишком большую температуру. В результате неизбежно образование микротрещин, существенно снижающих прочность конструкции.

Традиционно для того чтобы уменьшить эффект, ученые пытались смешать керамику с другими более устойчивыми материалами или создать состав, который ограничил бы возникающие трещины в небольших областях. Практическая наука достигла на этом поприще определенных результатов, но похвастаться полным решением проблемы исследователи на данной стадии не могли.

Группа ученых из Chinese Academy of Sciences (Пекин) и Harbin Institute of Technology (Харбин) предложила принципиально другой подход. При помощи химии и плазмы они модифицировали поверхность керамического образца, созданного из циркония, бора, кремния и углерода. В результате предложенный ими процесс сформировал на поверхности особые наноструктуры, представляющие собой массив «наностолбов», которые ученые назвали «наноребра» (по аналогии с ребрами охлаждения). На самом деле структуры не имеют к охлаждению никакого отношения, а выполняют обратную функцию: предотвращают быстрое проникновение низкой температуры в объем изделия.

По словам ученых, идея была почерпнута из природы: крылья стрекоз покрыты аналогичными образованиями. Поверхностное натяжение воды препятствует ее проникновению между отдельными наноструктурами, т.е., фактически, предотвращает намокание крыла. Аналогичная ситуация наблюдается и в керамике: наноструктуры создают воздушную прослойку между окружающей средой и внутренним объемом материала.

Свои предположения ученые проверили на экспериментах, в рамках которых горячая керамика подвергалась быстрому охлаждению в воде комнатной температуры. На обычной керамике при предварительном нагреве до уровня 400 градусов по шкале Цельсия и больше, неизбежно появлялись трещины. При этом тесты на прочность показывали лишь 15% от первоначального результата (результата до температурной обработки). Керамика с наноструктурой сохраняла свои свойства даже после нагрева до 3 тысяч градусов Цельсия (что достаточно близко к точке ее плавления). Стоит отметить, что в проведенных экспериментах толщина слоя наноструктур составляла порядка 400 нанометров. Однако, ученые отмечают, что для более массивных фрагментов керамики толщина этого слоя должна быть больше.

Полные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Проведенные исследования имеют самое прямое практическое применение. Модифицированная таким образом керамика может использоваться в промышленности, в особенности там, где требуется работа с контрастными температурами (например, в процессе плавления металлов).

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное





Rambler's Top100