Современные технологии позволяют получать керамические вещества со многими замечательными качествами, включая высокую твердость и термоустойчивость при низком удельном весе. Однако есть у них и неизбывный дефект. Керамические изделия растрескиваются при ударах и вибрациях, что сильно ограничивает возможности их применения. Например, керамики пока что не удается использовать в производстве реактивных и ракетных двигателей или автомобильных шасси, хотя они для этого очень подходят по многим параметрам.

Возможно, что в скором времени решения этих задач станут более реальными. Сотрудники Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory -Berkeley Lab) и Калифорнийского университета сообщили, что им удалось изготовить многослойную керамику, обладающую очень высокой твердостью при малой хрупкости. Разработчики утверждают, что их изделие по прочностным качествам является абсолютным рекордсменом среди керамических материалов.

Роберт Ритчи и группа исследователей

Научный руководитель группы исследователей – профессор Калифорнийского университета Роберт Ритчи (Robert Ritchie), который одновременно является руководителем отдела в Berkeley Lab. Роберт Ритчи и его соавторы взяли за образец структуру перламутра, который выстилает изнутри раковины некоторых морских и пресноводных моллюсков. Он состоит из тончайших параллельных слоев углекислой извести (чаще всего арагонита), скрепленных столь же тонкими белковыми пленками. Эти склеивающие прослойки компенсируют природную хрупкость арагонита и придают перламутру замечательную прочность, которая в две-три тысячи раз превышает прочность его компонентов.

Многослойная керамика

Ученые из Беркли вместо арагонита выбрали окись алюминия. Они разработали технологию, которая позволила создавать стопки из листков этого материала, прослоенных водяным льдом. На заключительном этапе обработки лед испаряется и его место занимает полимер полиметилметакрилат, который выполняет ту же роль, что и протеиновые прослойки перламутра.

В итоге получается материал, который не уступает лучшим алюминиевым сплавам как по твердости, так и по устойчивости к сотрясениям. Этот керамический материал в 300 раз прочнее, чем его составляющие. Из него уже удается изготовлять объемные образцы сантиметровых размеров, бруски и цилиндры.

Профессор Ритчи и его коллеги не собираются останавливаться на достигнутом. Новый материал пока что нельзя сильно нагревать – потечет полимерная склейка. Разработчики надеются заменить ее металлическими наполнителями, не боящимися высоких температур. В случае успеха и в самом деле могут появиться легкие керамические материалы, пригодные для изготовления авиационных двигателей и многих деталей транспортного и энергетического оборудования.

C другой стороны, новый керамический материал содержит только 85% алюминия в алюминий/полиметилметакрилатной комбинации. Полимер необходим для уменьшения трения, но почти не играет никакой роли в сопротивлении нагрузкам. Ученые планируют подобрать такой заменитель полиметилметакрилату, который сможет выполнять обе функции.

Исследования были поддержаны Департаментом Науки Министерства Энергетики США.

Евгений Биргер