Les céramiques à base de silicate de baryum strontium aluminium (BaxSr1−xAl2Si2O8, BSAS) présentent à la fois une stabilité de phase et une résistance à la corrosion par la vapeur d’eau, ce qui en fait des matériaux idéaux pour la technologie des radômes et le conditionnement électronique. Pour remédier à la faible tolérance des céramiques BSAS aux dommages et aux défauts, l’introduction de nano-renforts est une approche efficace pour améliorer leur résistance et leur ténacité.
Les nanofils de SiC (SiCnws) présentent une résistance et une dureté élevées héritées des céramiques SiC, ainsi que l’excellente ténacité et l’élasticité caractéristiques des nanomatériaux, ce qui en fait des candidats idéaux pour le renforcement des céramiques BSAS. Les effets de renforcement et de renforcement des nano-renforts sont principalement liés à leur dispersion et à leur liaison interfaciale. Une mauvaise dispersion peut entraîner la formation de pores fermés lors de la densification, tandis qu’une forte liaison interfaciale peut empêcher une déflexion efficace des fissures, limitant ainsi les effets de renforcement et de renforcement des nanomatériaux.
Trouver une stratégie pour optimiser la dispersion des SiCnws et obtenir une déflexion stable des fissures est essentiel pour utiliser pleinement leurs effets de renforcement et de durcissement, et elle est importante pour enrichir le cadre théorique des mécanismes de renforcement et de durcissement de la céramique.
Récemment, une équipe dirigée par Xiaomeng Fan de l’Université polytechnique du Nord-Ouest, en Chine, a présenté une méthode de conception d’interface fragile à faible module pour le renforcement et la trempe des céramiques multiphasées. En construisant une interface SiO2 intégrée entre SiCnws et BSAS, et grâce au suivi de la microstructure et de la structure de l’interface, ils ont analysé les mécanismes de renforcement et de durcissement et optimisé les performances mécaniques des céramiques BSAS. Ce travail fournit une nouvelle approche de conception pour la structure de l’interface dans les céramiques multiphasées, ainsi que pour leur renforcement et leur durcissement.
L’équipe a publié ses travaux dans Journal des céramiques avancées.
« Dans ce rapport, des céramiques multiphasées SiCnws/SiO2/BSAS hautement denses ont été préparées à l’aide du frittage à chaud, avec des limites de phase claires entre les trois phases. En utilisant la technique STEM-HAADF, il a été confirmé que le SiO2 amorphe est intégré dans une forme irrégulière entre le SiCnws cubique et le BSAS monoclinique, formant une structure de type interface », a déclaré Fan, professeur associé du laboratoire de sciences et technologies sur les matériaux composites thermostructuraux de la Northwestern Polytechnical University, un expert en science des matériaux dont les recherches s’intéressent aux composites à matrice céramique à ultra-haute température.
« Au cours du processus de densification, les poudres céramiques présentant une bonne fluidité sont cruciales pour améliorer la dispersion des nano-renforts. Selon le critère de He et Hutchinson, la construction d’une interface à faible module est essentielle pour induire une déflexion des fissures.
« Nous avons donc proposé une hypothèse innovante pour optimiser l’effet de renforcement et de durcissement des nano-renforts en construisant une interface fragile : en introduisant une interface SiO2 intégrée avec une faible température de ramollissement et un faible module entre les SiCnws et la matrice céramique BSAS », a déclaré Fan.
« Les résultats ont confirmé l’hypothèse. Tout d’abord, le SiO2 fondu peut recouvrir les particules de céramique sous pression, réduisant ainsi la contrainte de contact pendant le processus de frittage et améliorant la fluidité. Simultanément, pendant le frittage, le SiO2 fondu agit comme une interface intégrée entre les grains de SiCnws et de BSAS, affaiblissant la liaison interfaciale entre eux. Cela optimise collectivement les effets de renforcement et de durcissement du SiCnws. »
Ce travail optimise la structure de l’interface céramique en ajustant la teneur en SiO2 et étudie systématiquement le mécanisme de renforcement et de durcissement en prédisant le comportement de propagation des fissures à l’interface en utilisant le critère de He et Hutchinson. Les céramiques optimisées présentent une résistance à la flexion et une ténacité à la rupture de 193±16 MPa et 3,1±0,5 MPa·m1/2, respectivement, ce qui représente des améliorations allant jusqu’à 52,6 % et 94,0 % par rapport aux céramiques non optimisées.
« Ce travail est important pour l’application commerciale des céramiques BSAS et fournit de nouvelles stratégies de conception pour la conception de la structure d’interface afin de renforcer et de durcir les céramiques multiphasées », a déclaré Fan.
Cependant, des recherches plus détaillées sont nécessaires pour explorer l’adéquation des BSAS aux applications commerciales et la faisabilité de l’application de cette stratégie pour optimiser les propriétés mécaniques d’autres céramiques multiphasées. Dans ce contexte, le professeur Fan a proposé trois directions potentielles pour les travaux futurs : améliorer la stabilité thermique, la résistance à la corrosion par la vapeur d’eau et leur coordination avec les performances mécaniques ; optimiser les processus de préparation associés ; et étudier l’applicabilité de cette stratégie à d’autres systèmes céramiques multiphasés.
Parmi les autres contributeurs à la recherche figurent Xin Li, Haojie Luo, Jimei Xue, Fang Ye, Yongsheng Liu du laboratoire de science et technologie sur les matériaux composites thermostructuraux de l’université polytechnique du Nord-Ouest à Shaanxi, en Chine ; Xiaoke Lu du Frontier Institute of Science and Technology de l’université Xi’an Jiaotong à Shaanxi, en Chine.
Plus d’information:
Xin Li et al., Les propriétés mécaniques améliorées des nanofils de SiC/céramiques Ba 0,75Sr 0,25Al 2Si 2O 8 avec interface SiO 2 intégrée, Journal des céramiques avancées (2024). DOI : 10.26599/JAC.2024.9220907
Fourni par Tsinghua University Press