Des physiciens et des scientifiques des matériaux de l'Université polytechnique Pierre le Grand de Saint-Pétersbourg (SPbPU) ont analysé les structures des nanomatériaux constitués de plaques de céramique et de graphène, dans lequel les fissures apparaissent le plus fréquemment. Les résultats du premier essai du modèle, qui décrit cette régularité, ont été publiés dans le Journal de la mécanique des matériaux . Ce modèle aidera à créer des matériaux résistants aux fissures. La recherche a été financée par la subvention de la Fondation scientifique russe.

Le graphène est le composite de carbone le plus léger et le plus résistant. De plus, il a une conductivité électrique très élevée. En raison de ces caractéristiques, le graphène entre souvent dans la composition de nouveaux matériaux à base de céramique. Les céramiques résistent aux températures élevées, et, si des modifications carbone sont ajoutées, les composites deviennent multifonctionnels. À l'avenir, ils pourront être utilisés dans la production d'appareils électroniques flexibles, capteurs, dans le BTP et l'aéronautique.

Il est connu de nombreuses études expérimentales de tels composites que leurs caractéristiques mécaniques sont fixées par la proportion de graphène dans la composition et par la taille des plaques de graphène allouées dans la matrice céramique. Par exemple, en cas de faible concentration en graphène, une résistance élevée aux fissures a été obtenue à l'aide de longues plaques. Cependant, dans l'une des expériences récentes de synthèse de matériaux à partir de céramiques d'alumine et de graphène, l'effet inverse a été montré :comme les plaques étaient plus grandes, la résistance à la fissuration était plus faible. Les chercheurs de Saint-Pétersbourg ont développé un modèle théorique qui explique ce paradoxe.

Les physiciens supposaient que la formation de fissures dans les composites était liée aux limites des grains dits céramiques, des cristaux microscopiques qui forment le matériau. Les plaques de graphène dans les composites peuvent être situées à la fois aux limites des grains de céramique et à l'intérieur des grains. Au cours de la déformation en traction des matériaux nanocristallins, les grains glissent les uns par rapport aux autres, et les fissures se sont étendues sur leurs limites. Mais pourquoi les ajouts de graphène arrêtent-ils ce processus dans certains cas et ne l'arrêtent-ils pas dans d'autres ? Pour trouver la réponse, les scientifiques ont développé un modèle mathématique qui prend en compte la charge de traction, la force de frottement, modules élastiques du composite, et la corrélation entre les dimensions des grains de céramique et des plaques de graphène. A l'aide du modèle, les scientifiques ont calculé les valeurs critiques du facteur d'intensité de contrainte pour trois composites différents. Lorsque ces valeurs ont été dépassées, des fissures se sont propagées partout dans le matériau. Les composites variaient dans la taille des grains de céramique (de 1,23 à 1,58 micromètres) et la longueur et la largeur des plaques de graphène (de 193 à 1070 et de 109 à 545 nanomètres).

Il a été constaté que plus la longueur des plaques de graphène est proche de la longueur des lignes de joint de grain, plus la valeur critique du facteur d'intensité de contrainte est faible. La différence de valeur pour différents matériaux s'élève à 20 %. Il est conforme aux données expérimentales publiées précédemment :juste à des valeurs proches de la longueur des joints de grains et de la longueur des plaques de graphène, la résistance à la fissuration du matériau a chuté. Cela implique que pour rendre le matériau plus solide, les plaques de graphène doivent être sensiblement plus petites que les grains de céramique.

« La régularité observée est valable pour les céramiques à grains fins, et, après tout, en réduisant la taille des grains, les créateurs de nouveaux matériaux composites leur ajoutent plus de fonctionnalités, " explique Alexander Sheinerman, Docteur en Sciences Physiques et Mathématiques, le responsable du laboratoire de recherche « La mécanique des nouveaux nanomatériaux » du Centre des technologies de fabrication avancées de la National Technology Initiative NTI SPbPU. "Ainsi, les effets du raffinement du grain peuvent être contradictoires, par exemple, la dureté augmente, mais le matériau devient plus fragile. Notre modèle permet de choisir la corrélation entre la taille de la plaque de graphène et la taille des grains, qui offrent de meilleures caractéristiques mécaniques et fonctionnelles."