Forskare vid Nagoya University, arbetar i samarbete med NGK Spark Plug Co., Ltd., har utvecklat en uppsättning kompositmaterial som består av lager av aluminiumoxid (Al2O3) och volframkarbid (WC) med zirkoniumatomer emellan. Dessa speciella Al2O3-WC-kompositmaterial överträffar befintliga superhårda material genom att kombinera hårdhet med motståndskraft mot att bli permanent böjd eller trasig. Kredit:Nagoya University
Keramiska matriskompositer (CMC) är otroligt starka material som används i jetmotorer, gasturbiner, och skärverktyg för nickel superlegeringar. Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) är hård och kemiskt inert, och volframkarbid (WC) används som ett superhårt material, men tidigare försök att skapa ett Al 2 O 3 -WC CMC gav otillfredsställande resultat. Nyligen, en studie av japanska forskare, publiceras i Vetenskapliga rapporter , visar att tillsats av zirkoniumatomer resulterar i förbättrad Al 2 O 3 -WC CMCs.
Med tanke på den potentiella användbarheten av Al 2 O 3 -WC CMCs som superhårda material, Forskare runt om i världen har testat flera formuleringar för att identifiera en med hög böjhållfasthet, vilket är ett mått på den fysiska påfrestning ett material kan utsättas för innan det blir permanent böjt eller sönder. Tidigare, ingen grupp hade utvecklat ett Al 2 O 3 -WC CMC med en böjhållfasthet större än 1 gigapascal, vilket innebar att de tidigare Al 2 O 3 -WC CMC:er kunde inte överträffa befintliga CMC-material. I ett försök att uppnå en större böjhållfasthet, det tidigare nämnda teamet av forskare från Japan genomförde en studie, som leddes av forskare från Nagoya University, i samarbete med NGK Spark Plug Co., Ltd. I sin studie, forskarna experimenterade med att tillsätta små mängder zirkoniumdioxid (ZrO 2 ) under skapandet av Al 2 O 3 -WC CMCs. Denna tillsats gav "superhård" Al 2 O 3 -WC CMC med böjhållfastheter större än 2 gigapascal. Som huvudutredarna Dr. Tomohiro Nishi och Dr. Katsuyuki Matsunaga noterar, "Det här är en all-time high i fältet."
I synnerhet, utredarna uppnådde dessa avsevärda böjhållfasthetsförbättringar med ett relativt blygsamt tillskott av ZrO2. Tillsatsen representerade mindre än 5 % av massan av det färdiga Al 2 O 3 -WC CMCs, vilket är mindre än mängden tillsats som vanligtvis finns i tillsatsförstärkta CMC:er. När utredarna studerade strukturerna hos deras superhårda ZrO2-förstärkta Al 2 O 3 -WC CMC:er som använder en metod som kallas atomic-resolution scanning transmission elektronmikroskopi, de fann att Zr-atomerna var belägna i tunna lager mellan ark av Al 2 O 3 och WC. Med avseende på gränssnitten mellan Al 2 O 3 och WC-lakan, Dr Nishi och Dr Matsunaga uppger, "Sådana gränssnitt är i allmänhet svaga punkter med avseende på mekaniska egenskaper." Därför, gränssnittet mellan arken är en rimlig plats för Zr-atomer att utöva effekter som stärker Al 2 O 3 -WC CMCs. Verkligen, när utredarna modellerade effekterna av Zr-atomerna med hjälp av tekniker från ett område av matematisk fysik som kallas densitetsfunktionella teorin, deras resultat indikerade att ett gränsskikt av Zr-atomer skulle förbättra stabiliteten hos deras CMC.
Utredarna ser en ljus framtid för sina nya CMC:er. Kommenterar deras potentiella tillämpningar, Dr Matsunaga säger, "Materialen vi utvecklade kan användas som superhårda material i metallbearbetningsanordningar för att skära hårda metalliska komponenter för att användas i flygplan och bilar." Faktiskt, de noterar att ingenjörer på NGK Spark Plug Co. redan har kommersialiserat materialen som komponenter i skärande verktyg.
Skapandet av dessa förbättrade Al 2 O 3 -WC CMCs fungerar som ett exempel på de avsevärda förbättringar av fysikaliska egenskaper som kan uppnås med relativt små tillägg till ett material.
Pappret, "Avancerade superhårda kompositmaterial med extremt förbättrad mekanisk styrka genom gränssnittssegregering av utspädda dopämnen, " publicerades i tidskriften Vetenskapliga rapporter den 3 december, 2020.
