Eine spröde Schnittstelle mit niedrigem Modul zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Mehrphasenkeramiken

Barium-Strontium-Aluminium-Silikat (BaxSr1−xAl2Si2O8, BSAS)-Keramiken sind sowohl phasenstabil als auch beständig gegen Wasserdampfkorrosion, was sie zu idealen Materialien für die Radomtechnologie und elektronische Verpackungen macht. Um die geringe Toleranz von BSAS-Keramiken gegenüber Beschädigungen und Defekten zu beheben, ist die Einführung von Nanoverstärkungen ein effektiver Ansatz zur Verbesserung ihrer Festigkeit und Zähigkeit.

SiC-Nanodrähte (SiCnws) weisen die von SiC-Keramiken geerbte hohe Festigkeit und Härte auf, zusammen mit der hervorragenden Zähigkeit und Elastizität, die für Nanomaterialien charakteristisch sind, was sie zu idealen Kandidaten für die Verstärkung von BSAS-Keramiken macht. Die verstärkenden und verstärkenden Effekte von Nanoverstärkungen hängen hauptsächlich mit ihrer Dispersion und Grenzflächenbindung zusammen. Eine schlechte Dispersion kann während der Verdichtung zur Bildung geschlossener Poren führen, während eine starke Grenzflächenbindung eine effektive Rissablenkung verhindern kann, wodurch die verstärkenden und verstärkenden Effekte der Nanomaterialien eingeschränkt werden.

Um ihre Verstärkungs- und Härtungseffekte voll auszunutzen, ist es entscheidend, eine Strategie zur Optimierung der SiCnw-Dispersion und zum Erreichen einer stabilen Rissablenkung zu finden. Darüber hinaus ist sie von Bedeutung für die Bereicherung des theoretischen Rahmens der keramischen Verstärkungs- und Härtungsmechanismen.

Kürzlich berichtete ein Team unter der Leitung von Xiaomeng Fan von der Northwestern Polytechnical University in China über eine Methode zum Entwurf von spröden Grenzflächen mit niedrigem Elastizitätsmodul zur Verstärkung und Härtung mehrphasiger Keramiken. Durch die Konstruktion einer eingebetteten SiO2-Grenzfläche zwischen SiCnws und BSAS und durch die Verfolgung der Mikrostruktur und Grenzflächenstruktur analysierten sie die Verstärkungs- und Härtungsmechanismen und optimierten die mechanische Leistung von BSAS-Keramiken. Diese Arbeit bietet einen neuen Entwurfsansatz für die Grenzflächenstruktur in mehrphasigen Keramiken sowie für deren Verstärkung und Härtung.

Das Team veröffentlichte seine Arbeit in Zeitschrift für moderne Keramik.

„In diesem Bericht wurden hochdichte SiCnws/SiO2/BSAS-Mehrphasenkeramiken durch Heißpresssintern hergestellt, mit klaren Phasengrenzen zwischen den drei Phasen. Unter Verwendung der STEM-HAADF-Technik wurde bestätigt, dass das amorphe SiO2 in einer unregelmäßigen Form zwischen dem kubischen SiCnws und dem monoklinen BSAS eingebettet ist und eine schnittstellenartige Struktur bildet“, sagte Fan, außerordentlicher Professor für Wissenschaft und Technologie am Labor für thermostrukturelle Verbundwerkstoffe der Northwestern Polytechnical University, ein Experte in Materialwissenschaften, dessen Forschungsinteressen sich auf ultrahochtemperaturbeständige Keramikmatrixverbundwerkstoffe konzentrieren.

„Während des Verdichtungsprozesses sind Keramikpulver mit guter Fließfähigkeit entscheidend, um die Dispersion der Nanoverstärkungen zu verbessern. Gemäß dem He- und Hutchinson-Kriterium ist die Konstruktion einer Schnittstelle mit niedrigem Modul der Schlüssel zur Herbeiführung einer Rissablenkung.

„Daher haben wir eine innovative Hypothese vorgeschlagen, um die verstärkende und härtende Wirkung von Nanoverstärkungen durch die Konstruktion einer spröden Schnittstelle zu optimieren: Einführung einer eingebetteten SiO2-Schnittstelle mit niedriger Erweichungstemperatur und niedrigem Modul zwischen SiCnws und der BSAS-Keramikmatrix“, sagte Fan.

„Die Ergebnisse bestätigten die Hypothese. Erstens kann geschmolzenes SiO2 Keramikpartikel unter Druck bedecken, wodurch die Kontaktspannung während des Sinterprozesses verringert und die Fließfähigkeit verbessert wird. Gleichzeitig fungiert geschmolzenes SiO2 während des Sinterns als eingebettete Schnittstelle zwischen SiCnws- und BSAS-Körnern und schwächt die Grenzflächenbindung zwischen ihnen. Dies optimiert insgesamt die Verstärkungs- und Härtungseffekte von SiCnws.“

Diese Arbeit optimiert die keramische Grenzflächenstruktur durch Anpassung des SiO2-Gehalts und untersucht systematisch den Verstärkungs- und Härtungsmechanismus durch Vorhersage des Rissausbreitungsverhaltens an der Grenzfläche anhand des He- und Hutchinson-Kriteriums. Die optimierten Keramiken weisen eine Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit von 193±16 MPa bzw. 3,1±0,5 MPa·m1/2 auf, was Verbesserungen von bis zu 52,6 % bzw. 94,0 % im Vergleich zu den nicht optimierten Keramiken darstellt.

„Diese Arbeit ist für die kommerzielle Anwendung von BSAS-Keramiken von Bedeutung und bietet neue Designstrategien für die Gestaltung der Schnittstellenstruktur, um die Mehrphasenkeramiken zu verstärken und zu härten“, sagte Fan.

Es bedarf jedoch noch eingehenderer Forschung, um die Eignung von BSAS für kommerzielle Anwendungen und die Durchführbarkeit der Anwendung dieser Strategie zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften anderer mehrphasiger Keramiken zu untersuchen. In diesem Zusammenhang hat Professor Fan drei mögliche Richtungen für künftige Arbeiten vorgeschlagen: Verbesserung der thermischen Stabilität, der Wasserdampfkorrosionsbeständigkeit und ihrer Abstimmung mit der mechanischen Leistung; Optimierung der damit verbundenen Herstellungsprozesse; und Untersuchung der Anwendbarkeit dieser Strategie auf andere mehrphasige Keramiksysteme.

Zu den weiteren Forschungsmitarbeitern zählen Xin Li, Haojie Luo, Jimei Xue, Fang Ye und Yongsheng Liu vom Labor für Wissenschaft und Technologie für thermostrukturelle Verbundwerkstoffe der Northwestern Polytechnical University in Shaanxi, China, und Xiaoke Lu vom Frontier Institute of Science and Technology der Xi’an Jiaotong University in Shaanxi, China.