Низкотемпературные механические свойства фуллеритов: структура, упругость, пластичность, прочность (Обзор)

Abstract

Систематизированы и описаны результаты длительных исследований физико-механических свойств молекулярных кристаллов С₆₀ и С₇₀ (фуллеритов). Эти материалы — новая аллотропная форма углерода, в них роль элементарных структурных единиц играют фуллерены — стабильные молекулы из 60 и 70 атомов. Молекулы объединены в кристаллические структуры преимущественно дисперсионными (вандер-ваальсовыми) силами с небольшой долей ковалентной связи. Обсуждены особенности кристаллических структур фуллеритов и происходящих в них фазовых превращений, которые обусловлены дисперсионными силами, ориентационным упорядочением и динамикой вращательных степеней свободы молекул. Наиболее интересные трансформации решеточных структур и ориентационного состояния молекул в фуллеритах наблюдаются в интервале температур 77 К ≲ Т ≲ 350 К. Большинство экспериментальных исследований выполнены при этих температурах, они были направлены на изучение влияния решеточноориентационных фазовых переходов на механические свойства монокристаллов, поликристаллов и компактов. В них использованы методы акустической спектроскопии при низких и высоких частотах колебаний, методы микро- и наноиндентирования и макродеформирования. Детально описаны кристаллогеометрические аспекты и дислокационные механизмы пластического скольжения в фуллеритах, методы наблюдения дислокаций и изучения их подвижности. Рассмотрено также влияние на механические свойства фуллеритов различных внешних факторов: освещения (фотопластический эффект), импульсного магнитного поля (магнитопластический эффект), давления при компактировании образцов (эффект барополимеризации), насыщения образцов с различной морфологией примесями водорода, кислорода и инертных газов. Обсуждение результатов экспериментов сопровождается кратким описанием их теоретической интерпретации на основе анализа взаимодействия упругих и пластических деформаций решетки фуллерита с процессами ориентационного упорядочения, вращения и либрационных колебаний молекул.

The results of long-term studies on the physical-mechanical properties of C₆₀ and C₇₀ molecular crystals (fullerites) were systematized and described. These materials are the new allotropic form of carbon in which fullerenes (stable molecules consisting of 60 and 70 atoms) represent the elementary base units. Molecules are combined into crystalline structures mainly by dispersive (van der Waals) forces with a small contribution from covalent bonds. The anomalies of the fullerite crystal structures and features of the phase transitions occurring in them, which are caused by dispersive forces, orientation ordering, and dynamics of the molecules’ rotational degrees of freedom, were discussed. The most interesting transformations of fullerite lattice structures and orientation states were observed in the temperature range of 77 K ≲ Т ≲ 350 K. The majority of the experimental investigations were carried out at these temperatures. The experiments were concentrated on the effects that lattice-orientation phase transitions had on the mechanical properties of single crystals, polycrystalline solids, and compacts. Acoustical spectroscopy at low and high oscillation frequencies, micro- and nanoindentation and macrodeformation methods were used in the experimental research. The crystallogeometric aspects and dislocation mechanisms of plastic slip in fullerites, as well as the methods of observing dislocations and studying their mobility, are described in detail. Also the influence of different external factors, namely, illumination (photoplastic effect), pulsed magnetic field (magnetoplastic effect), and sample compaction pressure (baropolymerization effect) are discussed. The effects of saturating samples of different morphology with hydrogen, oxygen, and inert gas impurities on the fullerites’ mechanical properties were considered. The discussion of the experimental results is accompanied by a brief description of their theoretical interpretation based on analyzing the interaction of elastic and plastic deformations of the fullerite lattice with the processes of orientational ordering, rotation, and librational vibrations of molecules.