Механика разрушения наноматериалов

МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Р. В. Гольдштейн
Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, Москва, Россия
Основными объектами исследования в механике разрушения наноматериалов являются
материалы со структурой наномасштаба в объеме или в поверхностных слоях, слоистые
системы и системы с покрытиями нанотолщин, волокна наномасштабных толщин и их пучки,
нанокомпозиты, наполненные частицами наномасштаба или микрочастицами с
наноструктурой. Многообразие типов объектов и присущих им механизмов деформирования
и разрушения приводит к необходимости разработки различных, как правило, иерархических
моделей их деформирования и разрушения, а также разработки специальных (во многом
нестандартных) способов и устройств для проведения механических испытаний с целью
определения параметров моделей. В то же время оказывается, что при определенных
ограничениях описание характеристик и процессов разрушения может быть выполнено
посредством обобщения существующих моделей накопления повреждений, возникновения и
роста трещин.
Прогресс в развитии механики разрушения наноматериалов обусловлен в значительной
мере тем, что новое поколение приборов и методов физических исследований позволяет
наблюдать наномасштабные структуры, возникновение наномасштабных неоднородностей
(включений, пор, трещин), а получившие развитие методы дискретно-континуального
описания процессов в твердых деформируемых телах – моделировать характерные режимы и
сценарии разрушения. В частности, удается выявить и подтвердить особую роль свободных
поверхностей и границ соединения наноструктурных элементов между собой и с элементами
микроструктуры в процессах возникновения, миграции и накопления дефектов структуры в
пограничных слоях, переноса и локализации энергии в этих слоях. Различие механических
свойств в объеме наноматериалов, в поверхностных и пограничных слоях находит выражение
в различии модулей объемной упругости и соответствующих модулей поверхностной
упругости. С этим связано появление характерного размера d, равного отношению
поверхностного модуля Юнга к объемному. Материальный размер d задает один из
масштабов градиента напряжений и деформаций вблизи поверхностей, границ раздела и
концентраторов различной природы, что, в свою очередь, приводит к масштабному эффекту
характеристик прочности и разрушения. Если говорить о сопротивлении когезионному или
адгезионному разрушению посредством роста трещин в наноструктурных материалах, то в
отличие от материалов с микроструктурой теперь трещиностойкость зависит не только от
характерного размера структурных элементов (и/или расстояний между ними), но и от
материального масштаба d. Таким образом, возникают новые возможности для управления
трещиностойкостью и проектирования наноматериалов с повышенными эксплуатационными
характеристиками. Применительно к наномасштабным покрытиям существенным
оказывается формирование в ряде случаев пограничного слоя на границе покрытие –
подложка, толщина которого стремится к постоянной при увеличении толщины покрытия.
Именно предельная толщина пограничного слоя и определяет масштабный эффект прочности
покрытия и существенно влияет на сопротивление отслоению покрытия. Последнее связано с
тем, что указанный пограничный слой участвует в процессах накопления и
перераспределения энергии в концевой области трещин – отслоений. Оказывается, что для
оценки эффективных характеристик пластичности и прочности покрытия в ряде случаев
можно использовать правило смесей, принятое в механике композиционных материалов. При
этом необходимо учитывать вклад в деформирование и разрушение пограничного слоя и
остальной части покрытия, имеющей, вообще говоря, различные механические
характеристики. Более сложные зависимости для эффективных характеристик покрытия
получаются, если вне пограничного слоя имеется градиент механических свойств покрытия
по его толщине.
И в покрытиях нано- и микротолщин и в объемных материалах с нано- и
микроструктурой в процессе механического нагружения и/или воздействия физических полей
и активных сред одним из механизмов приспособляемости этих объектов к внешним
воздействиям служит образование наномасштабных дефектов структуры, в частности пор и
трещин. Кинетика и динамика таких дефектов во многом сходны с тем, что характерно для
дефектов микро- и макромасштабов. Различия, в первую очередь, становятся существенными
при размерах нанодефектов  10нм, когда велика роль поверхностной энергии и
поверхностных напряжений. Взаимодействие нанодефектов приводит к формированию
кластеров микромасштаба и тем самым обеспечивает переход процесса разрушения
материала с одного масштаба на другой. Реализацию подобных сценариев подтверждают и
эксперименты, и недавние результаты численного моделирования методами молекулярной
динамики. Ряд характерных сценариев перехода от наномасштабного разрушения к
микромасштабному весьма похожи на соответствующие сценарии переходов от
микромасштабного к мезо- и макромасштабному разрушению. Это, в частности, относится к
сценариям формирования упорядоченных систем нарушений сплошности (в том числе
эшелонов трещин) в телах (материалах) с пористой структурой нано- и/или микромасштабов.
При анализе поведения наномасштабных трещин определяющую роль играет выбор
критерия их роста. В рамках атомной модели трещин, в которой рассматривают
возникновение и рост нанотрещин в системе четырех полубесконечных цепочек атомов
(модель Томсоновского типа), удается показать, что для определения критического размера
трещин длиной ~ 15–20 межатомных расстояний уже можно пользоваться критериями типа
критериев линейной механики разрушения, имея в виду, что уровень трещиностойкости для
нанотрещин будет, вообще говоря, иной, чем, скажем для микротрещин. Оценки величины
трещиностойкости могут быть выполнены в рамках обобщенных когезионных моделей
трещин без предположений о малости концевой области трещины по сравнению с ее длиной
(это естественно приводит к двухпараметрическим критериям роста трещин).
Специфические задачи механики разрушения наномасштабных и наноструктурных
объектов возникают в связи с развитием наноэлектроники, созданием МЭМС и НЭМС. Здесь
отметим сопряженные задачи, моделирующие процессы разрушения в условиях
электромиграции при совместном действии электрического поля и механических
напряжений. Даже для микроэлектроники описание процессов разрушения при
электромиграции сопряжено с рядом трудностей, не преодоленных к настоящему времени (в
частности, это относится к предсказанию долговечности межсоединений из меди при
электромиграции). В случае элементов наноэлектроники ситуация еще сложнее, поскольку
становятся значимыми дополнительные поверхностные эффекты как в процессах
деформирования, так и в процессах переноса.
Технологии микро- и наноэлектроники иллюстрируют иной важный аспект процессов
разрушения в наномасштабе. Так, применение химико-механической полировки (ХМП)
сопровождается отделением от полируемой поверхности частиц размера десятков
нанометров. Скорость полирования измеряется единицами нанометров в минуту.
Разработанные в последнее время механические модели процесса ХМП позволяют получить
выражение для скорости полирования с учетом действующих нагрузок, свойств абразивных
частиц и полирующей жидкости, а также характеристик полировальника.
Прогнозирование и предотвращение разрушения наноматериалов, необходимость
сертификации их механических параметров предусматривает возможность определения их
прочности и трещиностойкости. Разработка адекватных методик испытаний,
соответствующих схем, систем и устройств проведения экспериментов относится к числу
актуальных проблем механики разрушения наноматериалов. В решении этих проблем весьма
полезными оказываются методы компьютерного моделирования и связанные с ними способы
проведения виртуальных механических испытаний.
Перспективным представляется поиск корреляций результатов механических
испытаний, в которых область нагружения охватывает весь образец наноматериала, и
испытаний, в которых воздействию подвергается лишь малая область образца, а также
разработка моделей, позволяющих предсказывать существование и вид корреляций такого
рода.
В докладе представлен обзор работ, в том числе выполненных автором и его коллегами в
рамках Программ фундаментальных исследований Президиума РАН (№№ 11 и 27) и
ОЭММПУ РАН (№№ 12 и 13).