Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году исследования по проекту проводились по двум направлениям. Первое – изучение деформационного поведения при 3-х точечном изгибе образцов, вырезанных из скорлупы куриных яиц, с нанесенными на их поверхности полимерными покрытиями. Второе – изучение деформационного поведения образцов, компактированных из порошка куриных яиц, под действием сжимающих и растягивающих нагрузок. В рамках второго направления была изучена морфология трещин в некоторых горных породах (гранит, серпентинит, базальт, песчаник и другие), которую сравнивали с морфологией трещин в кремнии и ГЦК-металлами, разрушающимися сколом (монокристаллы иридия и покрытые галлием монокристаллы алюминия). Исследование деформационного поведения композитов «скорлупа – полимерная пломба». Показано, что деформационное поведение при изгибе образцов, вырезанных из скорлупы куриных яиц с полимерными покрытиями (полимерные пломбы, используемые в клинической стоматологии), продолжает оставаться хрупким, несмотря на разницу в свойствах покрытий. Это ожидаемый результат, поскольку яичная скорлупа представляет собой биоминерал на основе карбоната кальция с ковалентной химической связью, который должен вести себя на хрупкий манер. Механические свойства композита «скорлупа – полимерная пломба» могут меняться в широких пределах, но всегда в рамках хрупкого поведения. Геометрия вязкого полимерного покрытия и его физико-механические характеристики определяют механические свойства композита. Соединение «скорлупа – полимерная пломба» никогда не разрушалось при изгибе, что указывает на его высокую когезионную прочность для всех типов пломбных материалов. Проведенные эксперименты позволяют детально описать деформационное поведение композита «скорлупа – полимерная пломба» на разных этапах реставрационной процедуры. Кроме того, трехточечный изгиб является более приемлемой схемой нагружения для механических испытаний композита «биоминерал – полимерное покрытие» по сравнению с одноосным сжатием малогабаритных кубоидных образцов композита «твердая ткань зуба – полимерная пломба» на основе эмали зубов человека. Поэтому скорлупу куриных яиц можно рассматривать как замену твердых тканей зуба при разработке и изучении свойств новых пломбных материалов на этапе лабораторных исследований. Анализ морфологии трещин в горных породах. Показано, что в модельных горных породах (серпентинит, гранит, базальт, песчаник и др.) при приложении растягивающих нагрузок возникают трещины, рост которых может останавливаться, несмотря на то, что приложенное напряжение не уменьшается. Это указывает на присутствие в них дополнительного канала аккомодации механических напряжений на микроуровне. В условиях бразильского теста наблюдаются трещины, траектория которых определяется геометрией приложенной нагрузки. Изменение схемы деформирования на изгиб не меняет характер разрушения. Наблюдаются трещины, пересекающие рабочие поверхности образцов от края до края, и траектории которых определяются геометрией нагружения, но их ширина была много меньше, чем при бразильских испытаниях. Анализ морфологии поверхностей изломов образцов подтверждает хрупкий тип разрушения модельных пород, который в большинстве случаев был аттестован как транскристаллитный скол. Опасные трещины состояли из слившихся порообразных микротрещин длиной 50-100 мкм и шириной 10-20 мкм. Их края были шероховатыми, а вершины могли быть острыми острые с углами раскрытия не меньше 5°, хотя у трещины в хрупком теле угол при вершине должен быть меньше 1о. По внешнему виду они походили на опасную трещину в шейке металла, например, алюминия. Трещины в песчанике тоже состояли из фрагментов, в которых можно выделить порообразные микротрещины. Но, в отличие от порообразных микротрещин в серпентините и граните, они имели острые вершины с небольшим углом раскрытия. Трещины, образовавшиеся в горных породах при взрыве, имели гладкие края, а угол раскрытия был сравним с углом раскрытия трещины в хрупком теле, однако их ширина была значительно больше. И только трещины в нефрите оказались подобны трещинам в хрупком кремнии. Трещины скола в иридии били острыми, но их угол раскрытия был значительно больше, чем в кремнии. Анализ роста опасной трещины в фольга иридия и алюминия при растяжении показал, что оба металла демонстрируют один разрушения, который является собственной модой разрушения для пластичных металлов. Следовательно, хрупкое транскристаллитное разрушение иридия не означает, что он не может демонстрировать пластичный отклик на микромасштабе. Поэтому можно заключить, что модельные породы демонстрируют хрупкую реакцию на макромасштабе, но «почти вязкую» на микроуровне. Анализ деформационного поведения образцов, компактированных из порошка куриных яиц, под действием сжимающих и растягивающих нагрузок. Оказалось, что оно было подобным поведению горных пород и минералов, включая эмаль зубов человека. Во всех случаях деформационные кривые можно аппроксимировать прямой линией, что указывает на отсутствие в модельных материалах стадии необратимой деформации. При этом величина деформации до начала разрушения образцов при сжатии была в разы выше той, что наблюдается перед разрушением силикатного стекла. Если же к ним прикладывается растягивающая нагрузка, то их поведение можно определить, как хрупкое. Свойства связующего вещества способны повлиять на механические характеристики материала, но не могут изменить типа его деформационного поведения. Траектория роста трещин в компактированных образцах определяется геометрией, приложенной нагрузки, как в хрупких материалах, однако их морфология и особенности роста отличаются от наблюдаемого в силикатных стеклах и в кремнии. Трещины в таких образцах, состоят из слившихся друг с другом микротрещин с острыми вершинами. Их морфология близка к порообразным микротрещинам в песчанике. Несмотря на хрупкий характер поведения при диаметральном сжатии, трещины были стабильными, то есть после зарождения и остановки роста при отключении нагрузки, они не росли. С увеличением степени деформации растет ширина трещин, из-за чего при больших значениях деформации опасная трещина имеет ломаный профиль, но далеко не очевидно, что она состоит из слившихся микротрещин, как опасная трещина при небольших деформация. Это указывает на наличие в модельных материалах дополнительного к разрушению канала аккомодации упругой энергии, основным физическим механизмом которого в ковалентных неорганических материалах является обратимая деформация. На макроскопическом уровне вклад дополнительного канала в поведение модельных материалов и горных пород не будет значительным, по сравнению с вкладом разрушения. Однако на микроскопическом масштабе вклад упругой деформации в аккомодацию упругой энергии становится значительным. В результате картина развития трещин в горных породах, эмали зубов человека и компактированной скорлупе, оказывается во многом похожей на развитие трещин в шейке пластичных металлов. Следовательно, вклад этого дополнительного канала аккомодации внешних механических напряжений приводит к существенным отличиям в деформационном поведении модельных материалов на микроскопическом масштабе от таких хрупких твердых тел, как силикатное стекло и монокристаллы кремния.