In den letzten Jahren haben sich elektrisch leitfähige Verbundkeramiken nach und nach zu einem Forschungsschwerpunkt bei der Funktionalisierung von Strukturkeramiken entwickelt. Die Verbesserung der Leitfähigkeit wird jedoch im Allgemeinen auf Kosten einer Erhöhung des Gehalts an leitfähigen Phasen oder einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der Verbundkeramik erreicht.
Daher ist es von großer Bedeutung, eine hohe Leitfähigkeit von Verbundkeramiken bei niedrigem Gehalt an leitfähiger Phase zu erreichen. In einer aktuellen Studie wurden elektrisch leitfähige B4C-TiB2-Verbundkeramiken mit nur 15 Vol.-% TiB2 durch einen zweistufigen Spark-Plasma-Sinterprozess hergestellt und ihre mechanischen und elektrischen Leistungen 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 hoch elektrisch leitende B4C-TiB2-Keramik durch ein zweistufiges Funkenplasmasinterverfahren hergestellt.
Das dreidimensionale, miteinander verbundene intergranulare TiB2-Netzwerk, das aus großen B4C-Körnern und kleinen TiB2-Körnern besteht, bildete einen hervorragenden leitenden Pfad 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 B4C-TiB2-Keramiken durch die optimale Partikelgrößenkopplung der Rohstoffpulver.
Das Team veröffentlichte seine Rezension in Zeitschrift für Hochleistungskeramik am 25. April 2024.
„In dieser Arbeit haben wir hoch elektrisch leitende B4C-TiB2-Keramiken über ein zweistufiges Verfahren hergestellt, das auf der neuartigen Strategie des selektiven Matrixkornwachstums basiert. Während des Sinterns wurden kleine B4C-Körner vollständig verbraucht, so dass kleine TiB2-Körner um die B4C-Körner herum zurückblieben um das dreidimensionale, miteinander verbundene intergranulare TiB2-Netzwerk zu bilden.
„Dadurch wurden mehr leitfähige Kanäle gebildet und so die elektrische Leitfähigkeit der Verbundwerkstoffe verbessert“, 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 B4C- und 0,05 µm TiC-Pulvern, zeigte ein perfektes dreidimensionales, miteinander verbundenes leitfähiges Netzwerk mit einer maximalen elektrischen Leitfähigkeit von 4,25×104 S/m, zusammen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, einschließlich Biegefestigkeit, Vickers Härte und Bruchzähigkeit von 691 ± 58 MPa, 30,30 ± 0,61 GPa bzw. 5,75 ± 0,32 MPa·m1/2, während der aus 3,12 µm B4C- und 0,8 µm TiC-Pulvern erhaltene Verbundwerkstoff die besten mechanischen Eigenschaften aufwies, einschließlich Biegefestigkeit und Vickers-Härte und Bruchzähigkeit von 827 ± 35 MPa, 32,01 ± 0,51 GPa und 6,45 ± 0,22 MPa·m1/2, zusammen mit einer anständigen elektrischen Leitfähigkeit von 0,65×104 S/m.
„Mit der in diesem Artikel vorgeschlagenen Methode können hoch elektrisch leitende Keramiken mit einem geringen Gehalt an leitfähiger Phase hergestellt werden, was die Produktionskosten erheblich senkt und außerdem eine neue Strategie für die 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 wird die Wirkung der mehreren leitfähigen Phasen auf die Mikrostruktur, die elektrischen Eigenschaften und die mechanischen Eigenschaften des Verbundkeramiken müssen 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.
Mehr Informationen:
Jun Zhao et al., Optimierung der mechanischen und elektrischen Leistung von B4C-TiB2-Keramik in einem zweistufigen Funkenplasmasinterprozess, Zeitschrift für Hochleistungskeramik (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220874
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