Влияние добавки фуллерена C60 на прочностные свойства

Влияние добавки фуллерена C60 на прочностные свойства нанокристаллической меди и алюминия
при ударно-волновом нагружении.
Безручко Г.С., Разоренов С.В.
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, Россия
Хорошо известно, что прочностные свойства конструкционных материалов сильно зависят от
их внутренней структуры, технологии получения и обработки. Одним из способов модификации
свойств, в том числе и прочностных, конструкционных материалов, включая металлы, являются различные добавки. Использование фуллеренов в качестве добавки к некоторым материалам может повышать их прочностные характеристики, например, микротвердость или предел текучести, в несколько раз [1]. Данная работа посвящена исследованию влияния добавок фуллеренов на упругопластические и прочностные свойства алюминиевых и медных образцов при ударно-волновом нагружении.
Исследования проводились с исходными образцами алюминия и меди, спрессованными при
давлении 5-7 Кбар из порошка и с образцами из смеси исходного алюминиевого и медного порошка и
фуллерена C60. Смесевые образцы с фуллереном прессовались при 10 Кбар для алюминиевых и 5
Кбар для медных образцов при температуре 280С. Для всех образцов проводилось измерение плотности, скорости звука и макротвердости. Измерения исходных характеристик образцов показали, что
добавка 5% фуллерена к алюминию и 2% фуллерена к меди приводит, во-первых, к снижению плотности как алюминиевых (на ~3%), так и медных (на ~11%) образцов, и, во-вторых, к сильному росту
твердости. Для алюминиевых образцов добавка С60 привела к росту твердости практически в три раза
от значения 27.1 до 98.9, тогда как для медных образцов – примерно в 1.3 раза от 86.3 до 108.9.
Ударно-волновое нагружение образцов толщиной ~2 мм проводилось ударом алюминиевой
пластины толщиной 0.4 мм, разогнанной до скорости 0.66 м/с с помощью взрывного генератора ударных волн. Измерения прочностных свойств основаны на регистрации профилей скорости свободной
поверхности лазерным Допплеровским измерителем скорости VISAR и их последующем анализе.
Анализ волновых профилей показал, что добавка в исходные алюминиевые образцы 5% по весу фуллерена C60 приводит к росту более чем в 10 раз его динамического предела упругости. Смесевые образцы меди также демонстрируют многократное увеличение предела упругости по сравнению
с технической медью. Рассчитанные из профилей скорости значения предела упругости составляют
0.82 – 1.7 ГПа для алюминиевых образцов и 1.35 – 1.57 ГПа для медных образцов, в зависимости от
пористости образцов. Динамическая (откольная) прочность как алюминиевых, так и медных образцов
с добавками фуллерена, как и ожидалось, уменьшается примерно в 3 раза. Падение прочности связано
с влиянием твердых частиц фуллерена на процесс динамического разрушения при высокоскоростном
растяжении, как концентраторов растягивающих напряжений в материале, на которых происходит
зарождение и развитие повреждений в материале, приводящее к его макроразрушению – отколу.
Литература
1. Popov M., Medvedev V., Blank V., Denisov V., Kirichenko A., Tat’yanin E., Aksenenkov V., Perfilov S., Lomakin R., D’yakov E., and Zaitsev V. Fulleride of aluminum nanoclusters. //
J.Appl.Physics. 2010. V. 108. 094317.
The influence of the admixture of the fullerene C60 on strength properties of aluminum and copper
under shock-wave loading.
G.S. Bezruchko1, S.V. Razorenov1, M.Y. Popov2
1
Institute of Problems of Chemical Physica RAS, Chernogolovka, Russia
2
Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials, Troitsk, Russia
It is well known, that the mechanical properties of commercial and constructional materials depend
on their internal structure, which, in turn, depends on the technologies or methods of them production and
processing. In this work, the Hugoniot elastic limit and dynamic (spall) strength measurements of pressed
aluminum and copper samples with admixture of the fullerene C60 under shock-wave loading were carried
out.
The undoped aluminum and copper samples and samples, pressed from the mixture of Al or Cu
powder and fullerene C60, were investigated. The undoped samples were pressed under peak pressure 5 GPa,
the samples with fullerene C60 were pressed under pressure 10 kbar and 5 kbar for aluminum and copper
samples, respectively, under the temperature of 280С. For all samples, the density, sound speeds and hardness were measured. The density for Al- C60 and Cu- C60 samples was equal 2.6 g/cm3 и 7.8 g/cm3, the sound
velocity was equal of 5.4 km/c и 3.5 km/c, correspondingly.
The measurements of the microhardness of aluminum samples with fullerene C60 have shown its increasing with a factor 3-4 [1]. The admixture of the fullerene to the samples also leaded to increase their
Vickers’s hardness three times in aluminum samples and 1.3 times in cupper samples.
Shock-wave loading of sample of 2 mm in thickness was created with a plane aluminum impactor of
0.4 mm in thickness accelerated by explosive facilities up to velocity of 0.66 km/s. The measurements of
strength properties were based on the recording and following analysis of the free surface velocity history,
obtained with VISAR laser-Doppler velocimeter.
In the experiments, it was found, that the admixture of 5 wt% and 2 wt% fullerene in the samples
leads to the increase Hugoniot elastic limit 10 times for aluminum samples. This agrees with high growth
their microhardness [1]. The measured values of Hugoniot elastic limit from the free surface velocity profiles
were equal of 1.3 GPa for aluminum samples and 1.5 GPa for cupper samples. As it was expected, the spall
strength of the samples with fullerene decreased about tree times in comparison with undoped samples. Probably, the decrease of the strength related with influence of solid fullerene particles on the process of dynamic
fracture under high strain rates: fullerene conglomerates are as a concentrators of tension stresses in material,
where the damages of material are generated and lead to its macro fracture.
References
1. M. Popov, V. Medvedev, V. Blank, V. Denisov, A. Kirichenko, E. Tat’yanin, V. Aksenenkov, S. Perfilov,
R. Lomakin, E. D’yakov, and V. Zaitsev. Fulleride of aluminum nanoclusters. // J. Appl. Phys. 108, 094317.
2010.