Нанотехнологии позволяют керамике противостоять быстрому изменению температуры
 Массив нанообразований на поверхности керамики. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
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).
Также по теме:
Источники: