Keramische matrixcomposieten (CMC's) zijn ongelooflijk sterke materialen die worden gebruikt in straalmotoren, gasturbines, en snijgereedschappen voor nikkel-superlegeringen. Aluminiumoxide (Al ₂ O ₃ ) is hard en chemisch inert, en wolfraamcarbide (WC) wordt gebruikt als een superhard materiaal, maar eerdere pogingen om een ​​Al . te creëren ₂ O ₃ -WC CMC leverde onbevredigende resultaten op. Onlangs, een studie door Japanse wetenschappers, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , laat zien dat het toevoegen van zirkoniumatomen resulteert in verbeterde Al ₂ O ₃ - WC CMC's.

Gezien het potentiële nut van Al ₂ O ₃ -WC CMC's als superharde materialen, onderzoekers over de hele wereld hebben verschillende formuleringen getest om er een te identificeren met een hoge buigsterkte, wat een maat is voor de fysieke belasting waaraan een materiaal kan worden blootgesteld voordat het permanent wordt gebogen of gebroken. Eerder, geen enkele groep had een Al . ontwikkeld ₂ O ₃ -WC CMC met een buigsterkte groter dan 1 gigapascal, wat betekende dat die eerdere Al ₂ O ₃ -WC CMC's konden de bestaande CMC-materialen niet overtreffen. In een poging om een ​​grotere buigsterkte te bereiken, het bovengenoemde team van wetenschappers uit Japan heeft een studie uitgevoerd, die werd geleid door wetenschappers van de Universiteit van Nagoya, in samenwerking met NGK Spark Plug Co., Ltd. In hun studie, experimenteerden de wetenschappers met het toevoegen van kleine hoeveelheden zirkoniumdioxide (ZrO ₂ ) tijdens de oprichting van Al ₂ O ₃ - WC CMC's. Deze toevoeging leverde "superhard" Al . op ₂ O ₃ -WC CMC's met buigsterkten groter dan 2 gigapascal. Zoals hoofdonderzoekers Dr. Tomohiro Nishi en Dr. Katsuyuki Matsunaga opmerken, "Dit is een recordhoogte in het veld."

Opmerkelijk, de onderzoekers bereikten deze aanzienlijke verbeteringen in de buigsterkte met een relatief bescheiden toevoeging van ZrO2. Het additief vertegenwoordigde minder dan 5% van de massa van het afgewerkte Al ₂ O ₃ -WC CMC's, wat minder is dan de hoeveelheid additief die gewoonlijk aanwezig is in met additieven versterkte CMC's. Toen de onderzoekers de structuren van hun superharde ZrO2-versterkte Al . bestudeerden ₂ O ₃ - WC CMC's met behulp van een methode die atomaire resolutie scanning transmissie-elektronenmicroscopie wordt genoemd, ze ontdekten dat de Zr-atomen zich in dunne lagen tussen vellen Al . bevonden ₂ O ₃ en WC. Met betrekking tot de interfaces tussen de Al ₂ O ₃ en WC-lakens, Dr. Nishi en Dr. Matsunaga stellen, "Dergelijke interfaces zijn over het algemeen zwakke punten met betrekking tot mechanische eigenschappen." Daarom, het grensvlak tussen de platen is een plausibele locatie voor Zr-atomen om effecten uit te oefenen die de Al . versterken ₂ O ₃ - WC CMC's. Inderdaad, toen de onderzoekers de effecten van de Zr-atomen modelleerden met behulp van technieken uit een gebied van de wiskundige fysica, bekend als de dichtheidsfunctionaaltheorie, hun resultaten gaven aan dat een grenslaag van Zr-atomen de stabiliteit van hun CMC's zou verbeteren.

De onderzoekers voorzien een mooie toekomst voor hun nieuwe CMC's. In een commentaar op hun mogelijke toepassingen, Dr. Matsunaga stelt, "De materialen die we hebben ontwikkeld, kunnen worden gebruikt als superharde materialen in metaalbewerkingsapparatuur voor het snijden van harde metalen componenten voor gebruik in vliegtuigen en auto's." In feite, ze merken op dat ingenieurs van NGK Spark Plug Co. de materialen al hebben gecommercialiseerd als componenten in snijgereedschappen.

De creatie van deze verbeterde Al ₂ O ₃ -WC CMC's dienen als een voorbeeld van de aanzienlijke verbeteringen in fysieke eigenschappen die kunnen worden bereikt met relatief kleine toevoegingen aan een materiaal.

De krant, "Geavanceerde superharde composietmaterialen met extreem verbeterde mechanische sterkte door grensvlakscheiding van verdunde doteermiddelen, " werd gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten op 3 december 2020.