Kern-Schale-Struktureinheiten zeigen eine hervorragende Zähigkeitswirkung für Keramik

Das Härten war schon immer eine wichtige Forschungsrichtung der Strukturkeramik. Die Zugabe von Sekundärphasen zur Keramikmatrix zur Herstellung von Verbundkeramiken ist ein effektiver Weg zur Zähigkeit im Bereich der Strukturkeramik.

Sowohl der Phasentyp als auch die Mikrostruktur der Sekundärphasen spielen eine entscheidende Rolle für die Zähigkeitswirkung der Keramikmatrix. Die B4C@TiB2-Kern-Schale-Struktureinheit unterscheidet sich von der herkömmlichen unabhängigen Phase als Sekundärphase und wurde absichtlich als innovative Art von Sekundärphase zur Zähigkeit der Al2O3-Keramikmatrix entwickelt und bietet ein neues Konzept für die Zähigkeitsuntersuchungen von Strukturkeramiken.

Ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Zhixiao Zhang von der Hebei University of Engineering in Handan, China, hat kürzlich erfolgreich eine Art Al2O3-Verbundkeramik hergestellt, die durch B4C@TiB2-Kern-Schale-Struktureinheiten gehärtet wird und aus einem B4C-Kern besteht, der von einer TiB2-Schale umgeben ist.

Die Kern-Schale-Struktureinheiten, die als Verbundhärtungsphase von Al2O3-Keramiken dienen, können den aktuellen Härtungsengpass von Al2O3-Verbundkeramiken, die mit unabhängigen Phasen gehärtet werden, überwinden und eine weitere Verbesserung der Bruchzähigkeit von Al2O3-Keramiken bewirken.

Das Team veröffentlicht ihre Arbeit in Zeitschrift für Hochleistungskeramik.

„In dieser Arbeit haben wir Al2O3-Verbundkeramiken hergestellt, die durch B4C@TiB2-Kern-Schale-Struktureinheiten gehärtet wurden, und zwar durch eine Kombination aus geschmolzenem Salzverfahren und Funkenplasmasintern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aufbauten, bei denen TiB2 und SiC isoliert und unabhängig voneinander in der Al2O3-Keramikmatrix dispergiert bleiben, ist die Zwei Sekundärphasen in diesen Al2O3-Verbundwerkstoffen bilden Kern-Schale-Verbundstrukturen, die ein mehrdimensionales synergistisches Zähigkeitsverhalten induzieren können.“

„Der durch Kern-Schale-Struktureinheiten erzeugte Verfestigungseffekt kann durch unabhängige Phasen nicht erreicht werden“, sagte Dr. Zhixiao Zhang, der korrespondierende Autor des Artikels und Professor am College of Materials Science and Engineering der Hebei University of Engineering. Professor Zhang ist außerdem das Top-Talent in der chinesischen Provinz Hebei und Vizedekan des College of Materials Science and Engineering an der Hebei University of Engineering.

Die B4C@TiB2-Kern-Schale-Härtungseinheiten bestehen aus einem mikrometergroßen B4C-Kern, der von einer etwa 500 nm dicken Schale umgeben ist, die aus zahlreichen nanoskaligen TiB2-Körnern besteht. Die diese Kern-Schale-Einheiten umgebenden Regionen weisen unterschiedliche geometrische Strukturen auf und umfassen mehrdimensionale Variationen in der Phasenzusammensetzung, den Kornabmessungen und den Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Dadurch entstehen komplizierte Spannungsverteilungen, die die Ausbreitung von Rissen in mehreren Dimensionen begünstigen. Dieses Verhalten verbraucht eine beträchtliche Menge an Rissausbreitungsenergie und erhöht dadurch die Bruchzähigkeit der Al2O3-Keramikmatrix. Die resultierende Al2O3-Verbundkeramik bietet eine verbesserte Bruchzähigkeit von bis zu 6,92 MPa·m1/2.

„Dieses neuartige Konzept und der entsprechende Verfestigungsmechanismus der Nutzung einer Kern-Schale-Struktureinheit als Sekundärphase zur Verbesserung der Zähigkeit der Keramikmatrix können eine neue Perspektive und theoretische Grundlage für die Verfestigungsforschung anderer Strukturkeramiken bieten.“ sagte Zhixiao Zhang.

Der nächste Schritt besteht darin, die Form und Phasenzusammensetzung von Kern-Schale-Struktureinheiten zu erweitern, einschließlich Kern-Schale-Strukturpartikeln, Whiskern, Fasern, Röhren oder Platten, die aus verschiedenen Phasentypen bestehen. Außerdem können diese Kern-Schale-Struktureinheiten weiter erweitert werden, um eine Vielzahl von Strukturkeramiken wie B4C, TiB2, SiC usw. zu härten.

In der Zwischenzeit wird eine systematische Untersuchung des Zähigkeitsmechanismus von Kern-Schale-Struktureinheiten als Verbundzähigkeitsphasen durchgeführt. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung eines neuen theoretischen Systems zur Verfestigung, das auf Kern-Schale-Einheiten basiert, die die Keramikmatrix verfestigen.