Aufbau einer mehrelementigen, gemeinsam segregierten Korngrenzenstruktur

Bisher haben Keramikwissenschaftler verschiedene Strategien entwickelt, um die Kornvergröberung zu verhindern. Die Verwendung von nanogroßem Vorläuferpulver kann nicht nur den Verdichtungsprozess erleichtern, sondern führt auch zu Massenkeramiken mit reduzierter Korngröße im Vergleich zu mikrometergroßem Vorläuferpulver.

Beim Schnellsintern wird die Niedrigtemperatur-Oberflächendiffusionsphase umgangen und durch schnelles Erhitzen direkt in die Hochtemperatur-Sinterphase übergegangen, was es zu einer effektiven Methode zur Verhinderung der Kornvergröberung macht. Diese oben genannten Strategien können die Vergröberung bei der Anwendung von Nanokeramiken in Mittel- oder Hochtemperaturumgebungen jedoch nicht verhindern.

Die Einführung der sekundären Phase kann auch die thermische Stabilität von Nanokörnern verbessern. Indem die sekundäre Phase Korngrenzen fixiert und ihre Mobilität verringert, verhindert sie wirksam die Vergröberung. Es ist jedoch schwierig, eine gleichmäßige Verteilung der sekundären Phase zu erreichen, was sich nachteilig auf andere Eigenschaften auswirken kann.

Es hat sich gezeigt, dass die Trennung gelöster Stoffe in GBs die GB-Energie verringert und die Antriebskraft des Kornwachstums schwächt. Dennoch haben die meisten veröffentlichten Studien nur die Zugabe von ein oder zwei 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 zu nutzen.

Kürzlich schlug ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Le Fu von der Central South University in China eine wirksame Strategie zur Verhinderung der Kornvergröberung vor, indem GB-Komplexe mit mehreren gemeinsam segregierten Dotierstoffen konstruiert wurden. Das Team veröffentlichte seine Arbeit in Zeitschrift für moderne Keramik am 28. März 2024.

Um die Durchführbarkeit der Strategie zu demonstrieren, wurden mehrere ausgewählte Dotierstoffe in eine nanokristalline Glaskeramik (NCGC) aus ZrO2-SiO2 dotiert, um GB-Komplexe zu bilden. Die Mikrostruktur der GB-Komplexe mit mehreren gemeinsam segregierten Dotierstoffen wurde charakterisiert. Gleichzeitig wurden die zugrunde liegenden Mechanismen der Auswirkungen von GB-Komplexen auf die Hemmung der Vergröberung diskutiert.

In diesem Bericht zielten die Forscher darauf ab, einen GB-Komplex mit mehreren Elementen und gemeinsamer Trennung zu konstruieren. Die erste und wichtigste Frage ist die Auswahl der Dotierstoffe. Es wurde nachgewiesen, dass die GB-Trennung stark vom Ionenradius und Valenzzustand sowohl der Dotierstoffkationen als auch des Wirtsions beeinflusst wird. Dotierstoffionen, die eine große Fehlpaarung des Ionenradius (ε) mit dem Wirts-Zr+4-Ion (84,0 pm) aufweisen, werden zu den GBs geschoben, anstatt sich in ZrO2-Gittern aufzulösen.

Darüber hinaus sind ZrO2-GBs positiv geladen, und Dotierionen mit Valenzzuständen unter +4 können an den GBs eine negative Raumladungswolke bilden, die auch die GB-Segregationsneigung der Dotierionen verstärken könnte. Unter Berücksichtigung der beiden oben genannten Kriterien wählten die Forscher fünf Dotierionen aus, nämlich Cs+, Ba+2, La+3, Ca+2, Al+3 Ionen. Sie alle hatten ein großes ε mit dem Wirts-Zr+4-Ion und ihre Valenzzustände waren niedriger als +4.

Theoretisch sollten sie sich daher an den ZrO2-GBs gemeinsam trennen“, sagte Fu, außerordentlicher Professor an der School of Materials Science and Engineering der Central South University (China), ein Experte, dessen Forschungsinteressen sich auf das Gebiet der Keramik konzentrieren.

„Wir haben die GB-Komplexe mit TEM-Techniken charakterisiert und festgestellt, dass die Elemente Y, Ca, Ba und La im GB-Komplex eine signifikante Trennung mit einer Dicke von 2,5 nm aufwiesen. Gleichzeitig bildeten sich im GB-Komplex Gitterfransen, was darauf hindeutet, dass es sich bei den GB-Komplexen um kristalline Überstrukturen handelt. Darüber hinaus haben wir mithilfe der Atomsondentomographie (APT) eine vollständige 3D-Rekonstruktion der GB-Komplexe auf atomarer Ebene erhalten, was unser Verständnis der 3D-Mikrostruktur des GB-Komplexes erheblich verbessert hat“, sagte Fu.

„Um die Auswirkungen der GB-Beschichtung auf das Kornvergröberungsverhalten von ZrO2-NCs zu untersuchen, wurden die mit mehreren Elementen co-dotierten und undotierten 65 % ZrO2-35 % SiO2-Proben bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht, wobei die undotierten Proben als Kontrollgruppe dienten. Die ZrO2-NCs in der gesinterten Probe hatten einen Durchschnittswert von 40,8 nm.

„Verglichen mit den Größen der ZrO2-NCs in der gesinterten Probe nahmen jene in der bei 1200 ºC geglühten Probe um 117,6 % zu, was darauf hindeutet, dass die ZrO2-NCs eine sehr starke Vergröberungskinetik zeigten. Im Vergleich dazu nahmen jene in der bei 1200 ºC geglühten Probe im gesinterten Zustand der ZrO2-NCs in der mit mehreren Elementen co-dotierten Probe nur um 19,8 % zu, was darauf hindeutet, dass die GB-Beschaffenheiten zur starken Vergröberungsresistenz der ZrO2-NCs beitrugen“, sagte Fu.

Allerdings trat in der mit mehreren Elementen co-dotierten Probe ein Flüssigphasensintern auf, sodass die Größe der gesinterten ZrO2-NCs in der co-dotierten Probe viel größer war als in der undotierten Probe. Zukünftige Arbeiten könnten sich auf die Optimierung der Dotierstoffe 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 Material Science and Engineering der Central South University, China; Bohan Wang vom State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing der Tsinghua University, China.