Most monolithic brittle materials are vulnerable to the failure by cracks because of a lack of intrinsic toughening mechanisms, such as the plasticity in the vicinity of the crack front. As a result, most of the efforts to mitigate the sudden failure of brittle ceramics have been focused on developing the extrinsic toughening mechanisms that hinder crack propagation behind the tip, such as the fiber bridging. In this work, it is experimentally demonstrated that the intrinsic toughening arises even in the brittle monolithic ceramic material such as diamond-like carbon (DLC) when its external dimension reduces down to sub-micron scales. This unique phenomenon owes its origin to the decrease of the crack driving force in the small samples, which in turn enables them to bear high enough stresses to activate the local atomic plasticity. Through nanomechanical tensile and bending experiments, electron energy loss spectroscopy analysis, and finite element method for stress distribution calculation, it was confirmed that the local atomic plasticity was dominantly carried by $sp^3$ to $sp^2$ carbon transformations dissipating the fracture energy, which is responsible for the intrinsic toughening. Additionally, the application of this unique phenomena at nanoscale is suggested to control the friction coefficient of DLC by surface nanopatterning.
지금까지 취성 세라믹 재료에서 파괴저항성 향상에 대한 연구는 주로 미세구조 조작이나 복합재료를 이용하여 진행되어 왔다. 본 연구에서는 나노스케일에서 균열전파구동력의 감소로 인해 나노재료가 높은 응력을 견딜 수 있게 되고, 에너지 장벽이 높아 일어나기 힘들었던 저항 메커니즘이 효과적으로 발동되어 파괴저항성이 향상될 수 있다는 것을 밝혔다. 나노시편 인장실험을 통해 파괴저항성을 정량적으로 측정하였으며, 취성 비정질 탄소 내 $sp^3$에서 $sp^2$으로의 오비탈 변환이 균열선단 소성 변형의 주 메커니즘임을 이용하여 소성 변형과 파괴저항성 향상의 상관관계를 실험적으로 증명하였다. 또한 응력분포와 이 메커니즘 사이의 연관성을 확인하였고 더 나아가 이를 DLC 마찰 계수 조절에 응용 할 수 있음을 밝혔다.
