På senare år har elektroledande kompositkeramik gradvis blivit en forskningshotspot i funktionaliseringen av strukturell keramik. Förbättringen av konduktiviteten uppnås emellertid i allmänhet till priset av att öka innehållet av ledande faser eller offra de mekaniska egenskaperna hos kompositkeramerna.
Därför är det av stor betydelse att uppnå hög ledningsförmåga hos kompositkeramer vid lågt ledande fasinnehåll. I en färsk studie, elektriskt ledande B4 C–TiB2 kompositkeramik innehållande endast 15 vol% TiB2 framställdes genom en tvåstegs gnistplasmasintringsprocess, och deras mekaniska och elektriska prestanda justerades genom optimal partikelstorlekskoppling av råmaterialpulver.
Ett team av materialforskare under ledning av Songlin Ran från Anhui University of Technology i Maanshan, Kina förberedde nyligen mycket elektriskt ledande B4 C–TiB2 keramik genom en tvåstegs gnistplasmasintringsmetod.
Den tredimensionella sammankopplade intergranulära TiB2 nätverk bestående av stora B4 C-korn och små TiB2 korn etablerade en utmärkt ledande väg för att passera elektrisk ström, vilket var fördelaktigt för förbättringen av elektrisk ledningsförmåga. Dessutom har de också uppnått kontrollerbar justering av de mekaniska och elektriska egenskaperna hos B4 C–TiB2 keramik genom optimal partikelstorlekskoppling av råmaterialpulver.
Teamet publicerade sin recension i Journal of Advanced Ceramics den 25 april 2024.
"I detta arbete förberedde vi mycket elektriskt ledande B4 C–TiB2 keramik via en tvåstegsmetod baserad på den nya selektiva matriskorntillväxtstrategin. Under sintringsförloppet, liten B4 C-korn var helt förbrukade, vilket lämnade små TiB2 korn runt B4 C-korn för att bilda det tredimensionella sammankopplade intergranulära TiB2 nätverk.
"Som ett resultat bildades fler ledande kanaler och därmed förbättrade kompositernas elektriska ledningsförmåga", säger Dr. Ran, motsvarande författare till artikeln, professor vid School of Materials Science and Engineering vid Anhui University of Technology.
B4 C–15 vol% TiB2 kompositkeramik framställd av 10,29 µm B4 C- och 0,05 µm TiC-pulver uppvisade ett perfekt tredimensionellt sammankopplat ledande nätverk med en maximal elektrisk ledningsförmåga på 4,25×10 4 S/m, tillsammans med utmärkta mekaniska egenskaper inklusive böjhållfasthet, Vickers hårdhet och brottseghet på 691±58 MPa, 30,30±0,61 GPa och 5,75±0,32 MPa·m 1/2 , medan kompositen erhållen från 3,12 µm B4 C- och 0,8 µm TiC-pulver hade de bästa mekaniska egenskaperna inklusive böjhållfasthet, Vickers hårdhet och brottseghet på 827±35 MPa, 32,01±0,51 GPa och 6,45±0,22 MPa·m 1/2 , tillsammans med en anständig elektrisk ledningsförmåga på 0,65×10 4 S/m.
"Den metod som föreslås i det här dokumentet kan framställa starkt elektriskt ledande keramik vid lågt ledande fasinnehåll, vilket kraftigt minskar produktionskostnaden och ger också en ny strategi för reglering av mikrostruktur och egenskaper hos kompositkeramer", säger Dr Ran.
Nästa steg är att omstrukturera det tredimensionella nätverket och konstruera ett mer perfekt ledande nätverk genom att introducera keramiska partiklar, whiskers, fibrer etc. Dessutom påverkar effekten av de multipla ledande faserna på mikrostrukturen, elektriska egenskaper och mekaniska egenskaper hos kompositkeramik måste undersökas i detalj för att avslöja den ledande mekanismen.
Andra bidragsgivare inkluderar Jun Zhao, Xingshuo Zhang, Zongning Ma, Dong Wang och Xing Jin från Anhui University of Technology i Maanshan, Kina; och Chaohu University i Hefei, Kina.
Mer information: Jun Zhao et al, Trimning av mekaniska och elektriska prestanda för B4 C–TiB2 keramik i en tvåstegs gnistplasmasintringsprocess, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220874
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
