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).