В Китае создали «небьющийся» алмаз: композит с нанотрубками в шесть раз прочнее вольфрамовых сплавов

Китайским учёным из Института физики Китайской академии наук и Пекинского университета авиации и космонавтики (Бэйханский университет) удалось решить десятилетиями нерешаемую проблему материаловедения: создать алмазный композит, сохраняющий рекордную твёрдость, но в 5–6 раз превосходящий по трещиностойкости монокристаллический алмаз и вольфрамовые сплавы. Результаты исследования опубликованы в рецензируемом журнале Nature Synthesis.

Проблема «ахилловой пятой» алмаза

Алмаз давно считается самым твёрдым природным материалом, однако его практическое применение всегда ограничивала экстремальная хрупкость. Те же прочные ковалентные связи между атомами углерода (sp³-гибридизация), обеспечивающие невиданную твёрдость, одновременно лишают материал способности сопротивляться распространению трещин. Точный удар по плоскости спайности способен мгновенно разрушить кристалл. Предыдущие попытки внутреннего упрочнения — через нанодвойникование, дефекты упаковки или аморфные фазы — неизбежно приводили к снижению твёрдости.

Метод «внешнего упрочнения»: трёхмерный каркас из нанотрубок

Китайские исследователи выбрали иной путь. Вместо изменения атомной структуры алмаза они внедрили в него армирующую конструкцию — непрерывную трёхмерную сеть многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT). В качестве исходных компонентов использовались алмазный порошок с размером зёрен 0,8–1,3 мкм и многостенные нанотрубки с наружным диаметром 10–20 нм, внутренним 5–10 нм и длиной 10–20 мкм. Смесь подвергали спеканию в прессе при давлении 15 ГПа и температуре около 2000 °C.

В процессе спекания нанотрубки частично превращались в алмаз в областях максимального давления, образуя ковалентные sp²-sp³-переходы с окружающей матрицей. Это позволило создать непрерывную связь на атомном уровне между армирующей сетью и алмазным каркасом. Нанотрубки занимали всего около 0,35 % объёма материала, но формировали сплошную пространственную структуру в промежутках между алмазными зёрнами — по аналогии с арматурой в железобетоне.

Рекордные характеристики нового материала

Испытания полученных цилиндрических образцов (диаметр ~3 мм, толщина ~2 мм) показали выдающиеся результаты:

• Твёрдость по Виккерсу — 91,6 ГПа, что соответствует уровню монокристаллического алмаза;
• Средняя трещиностойкость (вязкость разрушения) — 31,9 МПа·м¹/²;
• Максимальная измеренная трещиностойкость — 36,4 МПа·м¹/².

Для сравнения: у типичного монокристаллического алмаза трещиностойкость составляет около 6 МПа·м¹/², а вольфрамовые сплавы, применяемые в бронебойных боеприпасах, уступают новому композиту в этом параметре в 5–6 раз.

Механизм поглощения энергии трещины

Микроскопические наблюдения раскрыли принцип работы нанотрубочной сети. При возникновении трещины углеродные нанотрубки вытягиваются из матрицы и образуют перемычки между разделяющимися зёрнами, удерживая повреждённую область. Трещина многократно отклоняется, разветвляется и меняет направление, расходуя значительно больше энергии на распространение, чем в хрупком алмазе. sp²-sp³-интерфейсы на контакте нанотрубок с алмазом перераспределяют механическое напряжение по всему объёму композита, не позволяя ему концентрироваться на вершине растущей трещины.

Перспективы применения в промышленности и аэрокосмике

Учёные считают, что материал, сочетающий практически алмазную твёрдость с трещиностойкостью, превосходящей вольфрамовые сплавы, откроет новые возможности в нескольких областях:

• Износостойкий режущий инструмент для высокоточной обработки металлов и керамики;
• Сверхтвёрдые буровые долота и горнодобывающее оборудование;
• Компоненты аэрокосмической техники, одновременно испытывающие интенсивное истирание и ударные нагрузки;
• Защитные покрытия и износостойкие поверхности в экстремальных условиях.

Работы проводятся при поддержке национального научно-исследовательского центра в пекинском научном городе Хуайжоу, где композит испытывают в экстремальных условиях. Предыдущее исследование 2020 года, опубликованное в Nature, демонстрировало высокую трещиностойкость за счёт иерархической структуры, но полностью сохранить исходную твёрдость алмаза тогда не удалось. Новый подход с «внешним упрочнением» через углеродные нанотрубки позволил преодолеть этот фундаментальный компромисс.