Härdning har alltid varit en viktig forskningsinriktning för strukturkeramik. Tillägget av sekundära faser till den keramiska matrisen för att framställa kompositkeramik är en effektiv härdningsväg inom området strukturkeramik.
Både fastyp och mikrostruktur av sekundärfaserna spelar en avgörande roll för den keramiska matrisens segande effekt. Skiljer sig från den konventionella oberoende fasen som sekundärfas, B4 C@TiB2 kärna-skal strukturell enhet har avsiktligt utformats som en innovativ typ av sekundär fas för att härda Al2 O3 keramisk matris, vilket ger ett nytt koncept för skärpta studier av strukturell keramik.
Ett team av materialforskare ledda av Zhixiao Zhang från Hebei University of Engineering i Handan, Kina har nyligen framgångsrikt förberett ett slags Al2 O3 kompositkeramik härdat av B4 C@TiB2 kärna-skal strukturella enheter som består av B4 C-kärnan omsluten av TiB2 skal.
De strukturella enheterna kärna och skal fungerar som den sammansatta härdningsfasen av Al2 O3 keramik kan bryta igenom den nuvarande hårdnande flaskhalsen av Al2 O3 kompositkeramik härdat med hjälp av oberoende faser, och realiserar den ytterligare förbättringen för brottsegheten hos Al2 O3 keramik.
Teamet publicerade sitt arbete i Journal of Advanced Ceramics .
"I detta arbete förberedde vi Al2 O3 kompositkeramik härdat av B4 C@TiB2 kärna-skal strukturella enheter genom en kombination av smält saltmetodik och gnistplasmasintring. Till skillnad från konventionella inställningar där TiB2 och SiC förblir isolerade och oberoende dispergerade i Al2 O3 keramisk matris, de två sekundära faserna i denna Al2 O3 kompositer utgör kompositstrukturer mellan kärna och skal som kan inducera flerdimensionellt synergistiskt härdningsbeteende."
"Den härdande effekt som produceras av kärna-skal strukturella enheter är omöjlig att uppnå genom oberoende faser," säger Dr Zhixiao Zhang, motsvarande författare till artikeln, professor vid College of Materials Science and Engineering vid Hebei University of Engineering. Professor Zhang är också topptalangen i Hebeiprovinsen i Kina och vice dekanus för College of Materials Science and Engineering vid Hebei University of Engineering.
B4 C@TiB2 kärna-skal-härdningsenheter består av en mikronstor B4 C-kärna omsluten av ett skal som är ungefär 500 nm tjockt, sammansatt av många TiB2 i nanostorlek korn. Områdena som omger dessa kärna-skal-enheter uppvisar distinkta geometriska strukturer och omfattar flerdimensionella variationer i fassammansättning, korndimensioner och termiska expansionskoefficienter.
Följaktligen uppstår intrikata spänningsfördelningar, vilket främjar spridningen av sprickor i flera dimensioner. Detta beteende förbrukar en avsevärd mängd sprickutbredningsenergi, vilket ökar brottsegheten hos Al2 O3 keramisk matris. Det resulterande Al2 O3 kompositkeramik ger en förbättrad brottseghet upp till 6,92 MPa·m 1/2 .
"Det här nya konceptet och den motsvarande härdningsmekanismen för att använda kärna-skal strukturell enhet som en sekundär fas för att förbättra keramisk matris seghet kan ge ett nytt perspektiv och en teoretisk grund för den härdande forskningen av annan strukturell keramik." sa Zhixiao Zhang.
Nästa steg är att utöka formen och fassammansättningen av kärna-skal strukturella enheter, inklusive kärna-skal strukturella partiklar, whiskers, fibrer, rör eller plattor, som består av olika fastyper. Dessutom kan dessa kärn-skal strukturella enheter utökas ytterligare för att härda en mängd olika strukturkeramer, såsom B4 C, TiB2 , SiC, etc.
Under tiden kommer en systematisk studie av härdningsmekanismen för kärna-skal strukturella enheter som komposithärdningsfaser att utföras. Det slutgiltiga målet är att utveckla ett nytt teoretiskt härdningssystem baserat på kärna-skalenheter som härdar keramisk matris.
Mer information: Yingjie Shi et al, Preparation and toughening mechanism of Al2 O3 kompositkeramik härdat av B4 C@TiB2 kärna-skal-enheter, Journal of Advanced Ceramics (2023). DOI:10.26599/JAC.2023.9220826
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
