Fisici e scienziati dei materiali della Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) hanno analizzato le strutture in nanomateriali fatti di lastre di ceramica e grafene, in cui le crepe compaiono più frequentemente. I risultati della prima prova del modello, che descrive questa regolarità, sono stati pubblicati in Rivista di Meccanica dei Materiali . Questo modello aiuterà nella creazione di materiali resistenti alle crepe. La ricerca è stata supportata dalla sovvenzione della Russian Science Foundation.

Il grafene è il composito di carbonio più leggero e resistente. Inoltre, ha una conducibilità elettrica molto elevata. A causa di queste caratteristiche il grafene è spesso incluso nella composizione di nuovi materiali a base ceramica. Le ceramiche sono resistenti alle alte temperature, e, se vengono aggiunte modifiche al carbonio, i compositi diventano multifunzionali. In futuro potranno essere utilizzati nella produzione di dispositivi elettronici flessibili, sensori, nell'edilizia e nell'aviazione.

È noto da molti studi sperimentali su tali compositi che le loro caratteristiche meccaniche sono determinate dalla proporzione di grafene nella composizione e dalla dimensione delle lastre di grafene allocate nella matrice ceramica. Per esempio, in caso di bassa concentrazione di grafene, un'elevata resistenza alla rottura è stata ottenuta con l'aiuto di piastre lunghe. Però, in uno dei recenti esperimenti di sintesi di materiali da ceramica di allumina e grafene, è stato mostrato l'effetto opposto:poiché i piatti erano più grandi, la resistenza alla rottura era più debole. I ricercatori di San Pietroburgo hanno sviluppato un modello teorico che spiega questo paradosso.

I fisici supponevano che la formazione di crepe nei compositi fosse collegata ai confini dei cosiddetti grani ceramici, cristalli microscopici che formano il materiale. Le lastre di grafene nei compositi possono essere posizionate sia ai bordi dei grani ceramici che all'interno dei grani. Nel corso della deformazione a trazione di materiali nanocristallini, i grani scivolano l'uno rispetto all'altro, e le crepe si allargarono sui loro confini. Ma perché le aggiunte di grafene fermano questo processo in alcuni casi e non lo fermano in altri? Per trovare la risposta, gli scienziati hanno sviluppato un modello matematico che tiene conto del carico di trazione, la forza di attrito, moduli elastici del composito, e la correlazione tra le dimensioni dei grani ceramici e le lastre di grafene. Con l'aiuto del modello, gli scienziati hanno calcolato i valori critici del fattore di intensità dello stress per tre diversi compositi. Quando questi valori sono stati superati, crepe sparse ovunque nel materiale. I compositi variavano nelle dimensioni dei grani ceramici (da 1,23 a 1,58 micrometri) e nella lunghezza e larghezza delle lastre di grafene (da 193 a 1070 e da 109 a 545 nanometri).

È stato riscontrato che quanto più la lunghezza delle lastre di grafene è vicina alla lunghezza delle linee di confine del grano, minore è il valore critico del fattore di intensità delle sollecitazioni. La differenza di valore per materiali diversi arriva fino al 20%. È congruente con i dati sperimentali pubblicati in precedenza:solo a valori ravvicinati della lunghezza del bordo del grano e della lunghezza delle lastre di grafene, la resistenza alla rottura del materiale è diminuita. Ciò implica che per rendere il materiale più forte, le lastre di grafene devono essere sostanzialmente più piccole in lunghezza rispetto ai grani di ceramica.

"La regolarità osservata è valida per le ceramiche a grana fine, e, Dopotutto, riducendo la granulometria, i creatori di nuovi materiali compositi aggiungono loro più funzionalità, " spiega Alexander Sheinerman, Dottore in Scienze Fisiche e Matematiche, il responsabile del laboratorio di ricerca "La Meccanica dei Nuovi Nanomateriali" del Centro Tecnologie Avanzate Manifatturiere dell'Iniziativa Tecnologica Nazionale NTI SPbPU. "Con ciò, gli effetti della raffinazione del grano possono essere contraddittori, Per esempio, la durezza aumenta, ma il materiale diventa più fragile. Il nostro modello aiuta a scegliere la correlazione tra la dimensione della piastra di grafene e la dimensione dei grani, che forniscono migliori caratteristiche meccaniche e funzionali."