Eine fragile Grenzfläche mit niedrigem Modul zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Mehrphasenkeramiken

Bariumstrontiumaluminiumsilikat (Ba_XSr_1−xAl₂Wenn₂Ö₈BSAS-Keramik (BSAS) weist sowohl Phasenstabilität als auch Beständigkeit gegen Wasserdampfkorrosion auf, was sie zu idealen Materialien für Radomtechnologie und elektronische Verpackungen macht. Um der geringen Toleranz von BSAS-Keramik gegenüber Schäden und Defekten entgegenzuwirken, ist die Einführung von Nanoverstärkungen ein wirksamer Ansatz zur Verbesserung ihrer Festigkeit und Zähigkeit.

SiC-Nanodrähte (SiCnws) weisen die von SiC-Keramiken geerbte hohe Festigkeit und Härte sowie die ausgezeichnete Zähigkeit und Elastizität von Nanomaterialien auf, was sie zu idealen Kandidaten für die Verstärkung von BSAS-Keramiken macht. Die verstärkenden und verstärkenden Wirkungen von Nanoverstärkungen hängen hauptsächlich mit ihrer Dispersion und Grenzflächenbindung zusammen. Eine schlechte Dispersion kann zur Bildung geschlossener Poren während der Verdichtung führen, während eine starke Grenzflächenbindung eine wirksame Rissumlenkung verhindern und dadurch die verstärkende und verstärkende Wirkung von Nanomaterialien einschränken kann.

Die Suche nach einer Strategie zur Optimierung der Dispersion von SiCnws und zur Erzielung einer stabilen Rissablenkung ist von entscheidender Bedeutung, um deren Festigkeits- und Härtungseffekte voll auszunutzen, und ist wichtig für die Bereicherung des theoretischen Rahmens der keramischen Festigkeits- und Härtungsmechanismen.

Kürzlich stellte ein Team unter der Leitung von Xiaomeng Fan von der Northwestern Polytechnic University, China, eine Methode zur Konstruktion spröder Grenzflächen mit niedrigem Modul zum Verstärken und Härten von mehrphasigen Keramiken vor. Durch den Aufbau eines SiO₂ Durch die Untersuchung der Schnittstelle zwischen SiCnws und BSAS und die Verfolgung der Mikrostruktur und Struktur der Schnittstelle analysierten sie die Verstärkungs- und Härtungsmechanismen und optimierten die mechanische Leistung der BSAS-Keramik. Diese Arbeit schlägt einen neuen Designansatz für die Grenzflächenstruktur in Mehrphasenkeramiken sowie für deren Verstärkung und Härtung vor.

Das Team veröffentlichte seine Arbeit in Zeitschrift für Hochleistungskeramik.

„In diesem Bericht handelt es sich um hochdichtes SiCnws/SiO2₂/BSAS-Mehrphasenkeramiken wurden durch Heißsintern mit klaren Phasengrenzen zwischen den drei Phasen hergestellt. Mithilfe der STEM-HAADF-Technik wurde bestätigt, dass amorphes SiO vorliegt₂ „ist in einer unregelmäßigen Form zwischen kubischen SiCnws und monoklinen BSAS eingebettet und bildet eine grenzflächenähnliche Struktur“, sagte Fan, außerordentlicher Professor des Thermostructural Composite Materials Science and Technology Laboratory an der Northwestern Polytechnical University, ein Experte für Materialwissenschaften, dessen Forschungsschwerpunkt auf Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe.

„Während des Verdichtungsprozesses sind Keramikpulver mit guter Fließfähigkeit entscheidend, um die Verteilung von Nanoverstärkungen zu verbessern. Gemäß dem He- und Hutchinson-Kriterium ist die Konstruktion einer Grenzfläche mit niedrigem Modul entscheidend, um eine Rissablenkung zu induzieren.

„Wir haben daher eine innovative Hypothese vorgeschlagen, um die Festigkeits- und Härtungswirkung von Nanoverstärkungen durch den Aufbau einer spröden Grenzfläche zu optimieren: die Einführung eines integrierten SiO2₂ „Niedrige Erweichungstemperatur und niedrige Modulschnittstelle zwischen SiCnws und BSAS-Keramikmatrix“, sagte Fan.

„Die Ergebnisse bestätigten die Hypothese. Zunächst einmal das SiO₂ kann Keramikpartikel unter Druck beschichten, wodurch die Kontaktspannung während des Sinterprozesses reduziert und die Fließfähigkeit verbessert wird. Gleichzeitig entsteht beim Sintern das geschmolzene SiO₂ fungiert als integrierte Schnittstelle zwischen SiCnws- und BSAS-Körnern und schwächt die Grenzflächenbindung zwischen ihnen. Dadurch werden insgesamt die Festigkeits- und Härtungseffekte der SiCnws-Körner optimiert.

Diese Arbeit optimiert die Struktur der Keramikschnittstelle durch Anpassung des SiO₂ Die inhaltliche und systematische Untersuchung des Verstärkungs- und Verfestigungsmechanismus durch Vorhersage des Rissausbreitungsverhaltens an der Grenzfläche unter Verwendung des He- und Hutchinson-Kriteriums. Optimierte Keramik weist eine Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit von 193 ± 16 MPa und 3,1 ± 0,5 MPa·m auf^1/2Dies bedeutet Verbesserungen von bis zu 52,6 % bzw. 94,0 % im Vergleich zu nicht optimierter Keramik.

„Diese Arbeit ist wichtig für die kommerzielle Anwendung von BSAS-Keramik und liefert neue Designstrategien für die Grenzflächenstrukturgestaltung zur Stärkung und Härtung von Mehrphasenkeramik“, sagte Fan.

Es sind jedoch detailliertere Untersuchungen erforderlich, um die Eignung von BSAS für kommerzielle Anwendungen und die Machbarkeit der Anwendung dieser Strategie zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften anderer mehrphasiger Keramiken zu untersuchen. In diesem Zusammenhang schlug Professor Fan drei mögliche Richtungen für zukünftige Arbeiten vor: Verbesserung der thermischen Stabilität, der Beständigkeit gegen Wasserdampfkorrosion und deren Koordination mit der mechanischen Leistung; zugehörige Vorbereitungsprozesse optimieren; und untersuchen Sie die Anwendbarkeit dieser Strategie auf andere mehrphasige Keramiksysteme.

Weitere Mitwirkende an der Forschung sind Xin Li, Haojie Luo, Jimei Xue, Fang Ye, Yongsheng Liu vom Thermostructural Composite Materials Science and Technology Laboratory der Northwest Polytechnic University in Shaanxi, China; Xiaoke Lu vom Frontier Institute of Science and Technology an der Xi’an Jiaotong University in Shaanxi, China.