Алмаз считается одним из самых твердых природных материалов. Однако даже его исключительная прочность не гарантирует сохранения первоначальной структуры при экстремальных воздействиях. Исследователи из Техасского университета A&M и Университета Райса обнаружили, что при столкновении на гиперзвуковой скорости некоторые участки специально созданного алмазного композита практически мгновенно превращаются в графит.
На первый взгляд это может показаться разрушением материала. Но у ученых другая точка зрения: подобное превращение способно стать основой для принципиально нового подхода к созданию защитных материалов, предназначенных для работы в экстремальных условиях.
Как алмаз превращается в графит?
Исследование проводилось специалистами Техасского университета A&M и Университета Райса. Команда изучала поведение сверхтвердых материалов при воздействии экстремальных механических нагрузок, характерных для гиперзвуковых столкновений.
В качестве экспериментального образца ученые использовали специально разработанный композит на основе алмазных зерен. Чтобы объединить их в единую структуру, исследователи применили кубический нитрид бора и кобальт. Материал изготовили методом искрового плазменного спекания — технологии, позволяющей соединять твердые компоненты под воздействием высокой температуры и давления.
В ходе экспериментов образцы подвергали воздействию алюминиевых снарядов, двигавшихся со скоростью, превышающей семь скоростей звука. За происходящими изменениями наблюдали с помощью высокоскоростных камер и сверхбыстрых датчиков.
Результат оказался неожиданным: уже через несколько микросекунд после столкновения часть алмазной структуры переходила в графит.
Обнаруженное явление представляет собой фазовый переход — изменение внутренней структуры вещества, при котором атомы углерода перестраиваются, образуя другую кристаллическую структуру.
Хотя и алмаз, и графит состоят исключительно из углерода, их физические свойства кардинально различаются. В алмазе атомы образуют чрезвычайно прочную трехмерную кристаллическую решетку. В графите они расположены слоями, которые значительно легче смещаются относительно друг друга. Именно поэтому графит намного мягче алмаза.
Почему превращение в графит оказалось полезным?
Казалось бы, превращение сверхтвердого материала в гораздо более мягкий должно считаться недостатком. Однако в данном случае все не так однозначно.
Исследователи обнаружили, что фазовый переход позволяет композиту поглощать часть энергии удара. Вместо того чтобы просто сопротивляться внешнему воздействию, материал меняет свою внутреннюю структуру, благодаря чему происходит рассеивание кинетической энергии на микроскопическом уровне.
Это принципиально иной подход к созданию защитных конструкций.
Традиционные материалы обычно проектируют таким образом, чтобы они сохраняли первоначальную форму и структуру при столкновении. Новое исследование предлагает рассматривать возможность использования материалов, которые способны контролируемо изменять свои свойства непосредственно в момент воздействия.
По сути, речь идет о своеобразном встроенном механизме поглощения ударной нагрузки. Материал не просто противостоит удару, а использует собственное структурное преобразование для снижения его последствий.
Кто проводил исследование?
Работой руководили аспирант Аникет Моте (Aniket Mote) и доктор Томас Лейси (Thomas Lacy) из Техасского университета A&M.
Для экспериментов ученые использовали специализированную лабораторную установку, предназначенную для изучения столкновений на чрезвычайно высоких скоростях. Она позволила исследовать изменения структуры материала непосредственно во время воздействия.
Томас Лейси отметил, что обнаружение превращения отдельных участков алмазного композита в графит стало особенно интересным результатом эксперимента. По его словам, наблюдать подобный фазовый переход в реальном времени было весьма впечатляюще.
Исследователи подчеркивают, что понимание поведения сверхтвердых материалов под воздействием экстремальных механических нагрузок открывает новые возможности для инженерии.
Где пригодится новая технология?
Одно из наиболее перспективных направлений применения полученных результатов — создание защитных материалов для аэрокосмической отрасли.
Гиперзвуковые полеты, освоение космоса и эксплуатация космических аппаратов предъявляют чрезвычайно высокие требования к прочности конструкций. Материалы должны выдерживать интенсивные механические нагрузки, резкие изменения условий окружающей среды и другие экстремальные воздействия.
В таких обстоятельствах обычной твердости может оказаться недостаточно. Важна также способность конструкции поглощать энергию и предотвращать распространение разрушения.
Композиты, способные изменять свою внутреннюю структуру под воздействием удара, потенциально могут стать основой для нового поколения защитных экранов и конструкционных элементов.
Среди возможных направлений применения исследователи называют аэрокосмические системы, космические аппараты и различные виды специальной техники.
При этом важно понимать: пока речь идет о перспективном физическом механизме, продемонстрированном в лабораторных условиях, а не о готовой технологии защиты. Для практического использования предстоит выяснить, насколько эффективно материал поглощает энергию, как ведет себя при повторных нагрузках и можно ли управлять его структурными изменениями.
Новый взгляд на прочность материалов
Результаты исследования показывают, что привычное представление о прочности нуждается в определенном пересмотре. Иногда способность материала выдерживать экстремальное воздействие заключается не в том, чтобы любой ценой сохранить свою первоначальную структуру, а в том, чтобы своевременно изменить ее.
Алмаз действительно может превратиться в графит за считаные микросекунды. И хотя для ювелирной отрасли это звучало бы как катастрофа, для материаловедения подобное открытие может оказаться весьма ценным.
Возможно, именно такие необычные свойства станут основой защитных материалов будущего — более устойчивых к экстремальным нагрузкам и способных самостоятельно рассеивать энергию столкновений.
Исследование опубликовано в научном журнале Materials Today.
