p Físicos e cientistas de materiais da Universidade Politécnica Peter the Great St.Petersburg (SPbPU) analisaram as estruturas em nanomateriais feitos de placas de cerâmica e grafeno, em que as rachaduras aparecem com mais freqüência. Os resultados da primeira tentativa do modelo, que descreve essa regularidade, foram publicados no Diário de Mecânica de Materiais . Este modelo ajudará na criação de materiais resistentes a rachaduras. A pesquisa foi apoiada pela bolsa da Russian Science Foundation. p O grafeno é o composto de carbono mais leve e forte. Além disso, tem uma condutividade elétrica muito alta. Devido a essas características, o grafeno é frequentemente incluído na composição de novos materiais à base de cerâmica. As cerâmicas são resistentes a altas temperaturas, e, se modificações de carbono forem adicionadas, os compósitos tornam-se multifuncionais. No futuro, eles podem ser usados ​​na produção de dispositivos eletrônicos flexíveis, sensores, na construção e na aviação.

p É sabido por diversos estudos experimentais desses compósitos que suas características mecânicas são determinadas pela proporção do grafeno na composição e pelo tamanho das placas de grafeno alocadas na matriz cerâmica. Por exemplo, no caso de baixa concentração de grafeno, alta resistência a trincas foi alcançada com a ajuda de placas compridas. Contudo, em um dos experimentos recentes de síntese de materiais de cerâmica de alumina e grafeno, o efeito oposto foi mostrado:como as placas eram maiores, a resistência à rachadura era mais fraca. Os pesquisadores de São Petersburgo desenvolveram um modelo teórico que explica esse paradoxo.

p Os físicos supuseram que a formação de rachaduras nos compósitos está ligada aos limites dos chamados grãos de cerâmica - cristais microscópicos que formam o material. As placas de grafeno nos compósitos podem ser localizadas tanto nos limites dos grãos cerâmicos quanto dentro dos grãos. No curso da deformação por tração de materiais nanocristalinos, os grãos deslizam um em relação ao outro, e as rachaduras se espalharam por seus limites. Mas por que as adições de grafeno interrompem esse processo em alguns casos e não o interrompem em outros? Para encontrar a resposta, os cientistas desenvolveram um modelo matemático que leva em consideração a carga de tração, a força de atrito, módulos elásticos do compósito, e a correlação entre as dimensões dos grãos de cerâmica e placas de grafeno. Com a ajuda da modelo, os cientistas calcularam os valores críticos do fator de intensidade de tensão para três compostos diferentes. Quando esses valores foram excedidos, rachaduras se espalham por todo o material. Os compósitos variaram no tamanho dos grãos cerâmicos (de 1,23 a 1,58 micrômetros) e no comprimento e largura das placas de grafeno (de 193 a 1070 e de 109 a 545 nanômetros).

p Verificou-se que quanto mais próximo o comprimento das placas de grafeno do comprimento das linhas de contorno dos grãos, quanto menor o valor crítico do fator de intensidade de estresse. A diferença de valor para diferentes materiais chega a 20%. É congruente com os dados experimentais publicados anteriormente:apenas em valores próximos do comprimento do limite do grão e do comprimento das placas de grafeno, a resistência à rachadura do material caiu. Isso implica que, para tornar o material mais forte, as placas de grafeno devem ser substancialmente menores em comprimento do que os grãos de cerâmica.

p “A regularidade observada é válida para cerâmicas de grão fino, e, Afinal, reduzindo o tamanho do grão, os criadores de novos materiais compostos adicionam mais funcionalidade a eles, "explica Alexander Sheinerman, Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas, o chefe do laboratório de pesquisa "The Mechanics of New Nanomaterials" do Advanced Manufacturing Technologies Centre da National Technology Initiative NTI SPbPU. "Com isso, os efeitos do refinamento do grão podem ser contraditórios, por exemplo, a dureza aumenta, mas o material se torna mais frágil. Nosso modelo ajuda a escolher a correlação do tamanho da placa de grafeno e o tamanho dos grãos, que proporcionam melhores características mecânicas e funcionais. "