B₄C – TiB₂-Verbundkeramik mit einstellbaren mechanischen und elektrischen Eigenschaften

In den letzten Jahren haben sich elektrisch leitende Verbundkeramiken nach und nach zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der Funktionalisierung von Strukturkeramiken entwickelt. Eine Verbesserung der Leitfähigkeit geht jedoch im Allgemeinen mit einer Erhöhung des Gehalts an leitfähigen Phasen oder einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften von Verbundkeramiken einher.

Daher ist es von großer Bedeutung, eine hohe Leitfähigkeit von Verbundkeramiken mit niedrigem Gehalt an leitfähiger Phase zu erreichen. In einer aktuellen Studie wurde elektrisch leitfähiges B₄C-TiB₂ Verbundkeramik mit nur 15 Vol.-% TiB₂ wurden durch einen zweistufigen Spark-Plasma-Sinterprozess hergestellt und ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften wurden durch die optimale Partikelgrößenkopplung der Rohmaterialpulver angepasst.

Ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Songlin Ran von der Anhui University of Technology in Maanshan, China, hat kürzlich ein hoch elektrisch leitendes B-Material hergestellt.₄C-TiB₂ Keramik durch ein zweistufiges Funkenplasmasinterverfahren.

Dreidimensional miteinander verbundenes intergranulares TiB₂ Netzwerk bestehend aus Big B₄C und kleine TiB-Körner₂ Die Körner bildeten einen hervorragenden Leiterpfad für den Durchgang von elektrischem Strom, was sich positiv auf die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit auswirkte. Darüber hinaus gelang ihnen auch eine kontrollierbare Anpassung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften von B.₄C-TiB₂ Keramik dank der optimalen Partikelgrößenkopplung der Rohstoffpulver.

Das Team veröffentlichte seine Meinung in Zeitschrift für Hochleistungskeramik am 25. April 2024.

„In dieser Arbeit haben wir hoch elektrisch leitendes B hergestellt₄C-TiB₂ Keramik über ein zweistufiges Verfahren, das auf der neuen Strategie des selektiven Matrixkornwachstums basiert. Mit fortschreitender Sinterung wird das kleine B₄Die C-Körner wurden vollständig verbraucht, sodass kleine TiBs übrig blieben₂ Körner um B₄C-Körner bilden das miteinander verbundene dreidimensional miteinander verbundene TiB₂ Netzwerk.

„Infolgedessen wurden mehr leitfähige Kanäle gebildet, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Verbundwerkstoffe verbessert wurde“, sagte Dr. Ran, der korrespondierende Autor des Artikels und Professor an der School of Materials Science and Engineering der Anhui University of Technology.

B₄C–15 Vol.-% TiB₂ Verbundkeramik hergestellt aus 10,29 µm B₄Die 0,05 µm großen C- und TiC-Pulver zeigten ein perfektes dreidimensionales, miteinander verbundenes leitfähiges Netzwerk mit einer maximalen elektrischen Leitfähigkeit von 4,25×10⁴ S/m sowie hervorragende mechanische Eigenschaften einschließlich Biegefestigkeit, Vickers-Härte und Bruchzähigkeit von 691 ± 58 MPa, 30,30 ± 0,61 GPa und 5,75 ± 0,32 MPa·m^1/2bzw. während das Komposit aus 3,12 µm B erhalten wurde₄TiC C- und 0,8 µm-Pulver zeigten die besten mechanischen Eigenschaften, einschließlich Biegefestigkeit, Vickers-Härte und Bruchzähigkeit von 827 ± 35 MPa, 32,01 ± 0,51 GPa und 6,45 ± 0,22 MPa·m.^1/2mit einer ordentlichen elektrischen Leitfähigkeit von 0,65×10⁴ S/m.

„Mit der in diesem Artikel vorgeschlagenen Methode können hoch elektrisch leitende Keramiken mit geringem Gehalt an leitfähiger Phase hergestellt werden, was die Produktionskosten erheblich senkt und außerdem eine neue Strategie zur Regulierung der Mikrostruktur und der Eigenschaften von Verbundkeramiken bietet“, sagte Dr. Ran.

Der nächste Schritt besteht darin, das dreidimensionale Netzwerk neu zu strukturieren und durch die Einführung von Keramikpartikeln, Whiskern, Fasern usw. ein perfekteres leitfähiges Netzwerk aufzubauen. Darüber hinaus muss der Einfluss mehrerer leitfähiger Phasen auf die Mikrostruktur sowie die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Keramikverbundwerkstoffe im Detail untersucht werden, um den Leitfähigkeitsmechanismus aufzudecken.

Weitere Mitwirkende sind Jun Zhao, Xingshuo Zhang, Zongning Ma, Dong Wang und Xing Jin von der Anhui University of Technology in Maanshan, China; und Chaohu-Universität in Hefei, China.