Возможность повышения механических характеристик железа путем добавления углерода известна с древних времен. На этом принципе построена вся черная металлургия, благодаря достижениям которой механические свойства сталей значительно превышают соответствующие характеристики чистого железа. Новые модификации углерода (фуллерены, углеродные нанотрубки и т.п.) вновь пробудили интерес к проблеме получения твердых материалов на основе железа с добавлением углерода.

Благотворное воздействие подобных структур на механические свойства сталей было продемонстрировано недавно открытием немецких археологов, которые обнаружили, что в состав музейного экземпляра сабли из дамасской стали, изготовленной в средневековье, входят многослойные углеродные нанотрубки. Все это стимулирует проведение направленных исследований влияния добавления наноуглеродных частиц на механические свойства сталей.

Недавно опубликован подробный обзор результатов таких исследований, выполненных в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН совместно с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН. Цилиндрические образцы материалов диаметром 10 мм и высотой 5–6 мм на основе карбонильного железа, содержащие 10 вес.% фуллеренов С₆₀, С₇₀ или сажевого экстракта С₆₀ + С₇₀, были изготовлены на гидравлическом прессе в стандартных камерах высокого давления, используемых для синтеза сверхтвердых материалов, под давлением порядка 5 ГПа при температурах 1200–1400^оС и изотермической выдержке до 10 мин.

Полученные композиционные структуры исследовали с помощью микроскопа, спектрометра комбинационного рассеяния и рентгеновского дифрактометра. Твердость образцов измеряли с помощью нанотвердомера. Результаты измерений указывают на высокую износостойкость образцов композиционных материалов, содержащих примеси фуллеренов. Так, в отношении абразивной износостойкости эти материалы на порядок превосходят известные износостойкие стали ШХ15, а по коэффициенту трения (0,12) они приближаются к алмазоподобным покрытиям. Физический механизм, определяющий модификацию сталей, связан с преобразованием при высоких давлении и температуре микрокристалликов фуллерена в новую фазу углерода, характеризуемую повышенной твердостью. Детальные исследования показали, что результатом таких преобразований является многократное увеличение модуля упругости (до 10–15 ГПа) и износостойкости. При этом наибольший эффект наблюдается на образцах, полученных с использованием сажевого экстракта, который содержит смесь молекул фуллеренов различного сорта.

А.В. Елецкий

• О.П. Черногорова и др., Российские нанотехнологии 3, №5–6, 150 (2008)