Konstruktion eines Multielement-Korngrenzenkomplexes mit gleichzeitiger Segregation

Bislang haben Keramikspezialisten verschiedene Strategien entwickelt, um eine Kornvergröberung zu verhindern. Die Verwendung nanometergroßer Vorläuferpulver kann nicht nur den Verdichtungsprozess erleichtern, sondern auch Massenkeramiken mit geringeren Korngrößen im Vergleich zu mikrometergroßen Vorläuferpulvern erzeugen.

Beim Schnellsintern wird die Phase der Niedertemperatur-Oberflächendiffusion umgangen und durch schnelles Erhitzen direkt in die Hochtemperatur-Sinterphase übergegangen, was es zu einer wirksamen Methode zur Verhinderung der Kornvergröberung macht. Allerdings können die oben genannten Strategien die Vergröberung bei der Anwendung von Nanokeramik in Umgebungen mit mittleren oder hohen Temperaturen nicht verhindern.

Die Einführung der Sekundärphase kann auch die thermische Stabilität von Nanokörnern verbessern. Durch die Fixierung der Korngrenzen (GB) und die Verringerung ihrer Beweglichkeit hemmt die Sekundärphase wirksam die Vergröberung. Es ist jedoch schwierig, eine gleichmäßige Verteilung der Sekundärphase zu erreichen, was sich negativ auf andere Eigenschaften auswirken kann.

Es hat sich gezeigt, dass die Trennung gelöster Stoffe in GBs die GB-Energie verringert und die treibende Kraft des Kornwachstums schwächt. Dennoch haben die meisten berichteten Studien nur die Zugabe einer oder zweier Arten gelöster Atome untersucht, was das Ausmaß der GB-Energiereduzierung begrenzt. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um das Potenzial der Trennung gelöster Stoffe als Strategie vollständig zu verstehen und auszuschöpfen.

Kürzlich schlug ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Le Fu von der South Central University in China eine wirksame Strategie zur Hemmung der Kornvergröberung durch die Konstruktion von GB-Tönen mit mehreren gleichzeitig getrennten Dotierstoffen vor. Das Team veröffentlichte seine Arbeit in Zeitschrift für Hochleistungskeramik am 28. März 2024.

Um die Machbarkeit der Strategie zu demonstrieren, wurden mehrere ausgewählte Dotierstoffe mit einem ZrO dotiert₂-SiO₂ nanokristalline Glaskeramik (NCGC) zur Bildung von GB-Teinten. Die Mikrostruktur von GB-Teinten mit mehreren gleichzeitig getrennten Dotierstoffen wurde charakterisiert. Gleichzeitig wurden die zugrunde liegenden Mechanismen der Auswirkungen von GB-Teinten auf die Vergrößerungshemmung diskutiert.

In diesem Bericht versuchten die Forscher, einen aus mehreren Elementen bestehenden GB-Komplex zu konstruieren. Die erste und wichtigste Frage ist die Auswahl der Dotierstoffe. Es wurde nachgewiesen, dass die GB-Segregation weitgehend vom Ionenradius und dem Valenzzustand der Dotierungskationen und des Wirts beeinflusst wird. Für Dotierstoffionen, die eine große Fehlanpassung des Ionenradius (ε) mit dem Wirt Zr aufweisen⁺⁴ Ionen (84,0 Uhr) würden sie in Richtung GB gedrückt, anstatt sich in ZrO aufzulösen₂ Gitter.

Zusätzlich ZrO₂ GBs sind positiv geladen und Dotierstoffionen mit Valenzzuständen unter +4 können an GBs eine negative räumliche Ladungswolke bilden, was auch die Segregationstendenz von Dotierstoffionen verstärken könnte. Unter Berücksichtigung der beiden oben genannten Kriterien wählten die Forscher fünf Dotierstoffionen aus, nämlich Cs⁺Ba⁺²Dort⁺³Kalifornien⁺²Al⁺³ Ionen. Sie alle hatten ein großes ε mit dem Gastgeber Zr⁺⁴ Ion und ihre Valenzzustände waren kleiner als +4.

Daher sollten sie sich theoretisch am ZrO gemeinsam entmischen₂ „GB“, sagte Fu, außerordentlicher Professor an der School of Materials Science and Engineering der South Central University (China), ein Experte, dessen Forschungsinteressen sich auf das Gebiet der Keramik konzentrieren.

„Wir haben die GB-Teinte mit TEM-Techniken charakterisiert und festgestellt, dass die Elemente Y, Ca, Ba und La eine signifikante Segregation auf der GB-Tint mit einer Dicke von 2,5 nm aufwiesen. Gleichzeitig bildeten sich Gitterränder am GB-Teint, was darauf hindeutet, dass es sich bei den GB-Teinten um Kristallüberstrukturen handelte. Darüber hinaus haben wir mithilfe der Atomsondentomographie (APT) eine umfassende 3D-Rekonstruktion des GB-Teints auf atomarer Ebene erhalten, was unser Verständnis der 3D-Mikrostruktur des GB-Teints erheblich verbessert hat“, sagte Fu.

„Um die Auswirkungen des GB-Teints auf das Vergröberungsverhalten von ZrO-Körnern zu untersuchen₂ NCs, ZrO 65 % co-dotierte und undotierte Multielemente₂-35 % SiO₂ Die Proben wurden bei unterschiedlichen Temperaturen getempert, wobei die undotierten Proben als Kontrollgruppe dienten. Das ZrO₂ Die NCs in der gesinterten Probe hatten einen Durchschnittswert von 40,8 nm.

„Im Vergleich zu den Größen von ZrO₂ Die NCs in der Probe im gesinterten Zustand und in der Probe, die bei 1200 °C geglüht wurde, stiegen um 117,6 %, was darauf hindeutet, dass ZrO₂ Die NCs zeigten eine sehr starke Vergrößerungskinetik. Im Vergleich zu den Größen von ZrO im gesinterten Zustand₂ Die NCs in der mit mehreren Elementen kodotierten Probe und diejenigen in der bei 1200 °C getemperten Probe stiegen nur um 19,8 %, was darauf hindeutet, dass die GB-Töne zur starken Vergröberungsbeständigkeit von ZrO beitrugen₂ „NC“, sagte Fu.

Allerdings kam es in der mit mehreren Elementen kodotierten Probe zu einer Flüssigphasensinterung, sodass die Größe des ZrO im gesinterten Zustand zunahm₂ Die NCs der zusätzlich aufgestockten Probe waren viel größer als die der nicht aufgestockten Probe. Zukünftige Arbeiten könnten sich auf die Optimierung von Dotierstoffen konzentrieren, um das Auftreten von Flüssigphasensintern zu vermeiden.

Weitere Mitwirkende sind Gabriel Arcuri und Kathryn Grandfield von der McMaster University, Kanada; Wenjun Yu, Zihua Lei und Ying Deng von der School of Materials Science and Engineering, South Central University, China; Bohan Wang vom National Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Tsinghua University, China.