Lite hBN i keramik kan ge dem enastående egenskaper, enligt en forskare från Rice University.

Rouzbeh Shahsavari, en biträdande professor i civil- och miljöteknik, föreslog att inkorporering av ultratunna hexagonala bornitrid (hBN) ark mellan lager av kalciumsilikater skulle göra en intressant dubbelskiktskristall med multifunktionella egenskaper. Dessa kan vara lämpliga för konstruktion och eldfasta material och tillämpningar inom kärnkraftsindustrin, olja och gas, flyg och andra områden som kräver högpresterande kompositer.

Att kombinera materialen skulle göra en keramik som inte bara är tuff och hållbar utan också motståndskraftig mot värme och strålning. Enligt Shahsavaris beräkningar, kalciumsilikater med insatta lager av tvådimensionell hBN skulle kunna härdas tillräckligt för att fungera som avskärmning i kärnkraftsapplikationer som kraftverk.

Forskningen visas i tidskriften American Chemical Society ACS tillämpade material och gränssnitt .

Tvådimensionell hBN har smeknamnet vit grafen och ser ut som grafen från ovan, med sammanlänkade hexagoner som bildar ett ultratunt plan. Men hBN skiljer sig från grafen eftersom det består av alternerande bor och kväve, snarare än kol, atomer.

"Detta arbete visar möjligheten till materialförstärkning vid minsta möjliga dimension, basalplanet av keramik, ", sade Shahsavari. "Detta resulterar i en dubbelskiktskristall där hBN är en integrerad del av systemet i motsats till konventionella förstärkande fyllmedel som är löst anslutna till värdmaterialet.

"Vår högnivåstudie visar energetisk stabilitet och betydande egenskapsförbättring på grund av den kovalenta bindningen, laddningsöverföring och orbital blandning mellan hBN och kalciumsilikater, " han sa.

Formen av keramik labbet studerade, känd som tobermorite, tenderar att självmontera i lager av kalcium och syre som hålls samman av silikatkedjor när det torkar till härdat cement. Shahsavaris studie i molekylär skala visade att hBN blandas väl med tobermorit, glider in i utrymmena mellan skikten när bor- och syreatomerna binder och spänner de platta hBN-arken.

Denna dragspelsliknande buckling beror på den kemiska affiniteten och laddningsöverföringen mellan boratomerna och tobermorit som stabiliserar kompositen och ger den hög styrka och seghet, egenskaper som vanligtvis växlar mot varandra i tekniska material, sa Shahsavari. Förklaringen verkar vara en tvåfasmekanism som äger rum när hBN-skikten utsätts för töjning eller stress.

Shahsavaris modeller av horisontellt staplade tobermorit och tobermorite-hBN visade att kompositen var tre gånger starkare och cirka 25 procent styvare än det vanliga materialet. Beräkningsanalys visade varför:Medan silikatkedjorna i tobermorit misslyckades när de tvingades rotera längs sina axlar, hBN-plåtarna avlastade genom att först lossa och sedan förstyva.

När den är komprimerad, vanlig tobermorit uppvisade en låg sträckgräns (eller elasticitetsmodul) på cirka 10 gigapascal (GPa) med en sträcktöjning (den punkt vid vilken ett material deformeras) på 7 procent. Kompositen visade en sträckgräns på 25 GPa och töjning upp till 20 procent.

"En stor nackdel med keramik är att de är spröda och splittras vid hög belastning, "Shahsavari sa. "Vår strategi övervinner denna begränsning, ger förbättrad duktilitet och seghet samtidigt som hållfasthetsegenskaperna förbättras.

"Som en bonus, systemets termiska och strålningstolerans ökar också, rendering av multifunktionella egenskaper, ", sa han. "Dessa funktioner är alla viktiga för att förhindra försämring av keramik och öka deras livslängd, därigenom sparar energi och underhållskostnader."

När materialet testades från andra vinklar, skillnaderna mellan den rena tobermoriten och kompositen var mindre uttalade, men i genomsnitt hBN förbättrade materialets egenskaper avsevärt.

"Jämfört med endimensionella fyllmedel som konventionella fibrer eller kolnanorör, 2D-material som hBN är tvåsidiga, så de har dubbelt så stor yta per massenhet, "Shahsavari sa. "Detta är perfekt för förstärkning och vidhäftning till den omgivande matrisen."

Han sa att andra 2D-material som molybdendisulfid, niobdiselenid och skiktad dubbelhydroxid kan också vara lämpliga för konstruktionen nedifrån och upp av högpresterande keramik och andra multifunktionella kompositmaterial.