Wetenschap
B₄C–TiB₂-composietkeramiek met instelbare mechanische en elektrische eigenschappen
De afgelopen jaren is elektrisch geleidende composietkeramiek geleidelijk een onderzoekshotspot geworden in de functionaliteit van structurele keramiek. De verbetering van de geleidbaarheid wordt echter doorgaans bereikt ten koste van het vergroten van het gehalte aan geleidende fasen of het opofferen van de mechanische eigenschappen van composietkeramiek.
Daarom is het bereiken van een hoge geleidbaarheid van composietkeramiek bij een laag gehalte aan geleidende fase van groot belang. In een recent onderzoek is elektrisch geleidend B4 C–TiB2 composietkeramiek met slechts 15 vol% TiB2 werden bereid door een tweestaps vonkplasma-sinterproces, en hun mechanische en elektrische prestaties werden aangepast door de optimale deeltjesgroottekoppeling van grondstofpoeders.
Een team van materiaalwetenschappers onder leiding van Songlin Ran van de Anhui University of Technology in Maanshan, China, heeft onlangs zeer elektrisch geleidende B4 voorbereid C–TiB2 keramiek door een tweestaps vonkplasma-sintermethode.
De driedimensionaal onderling verbonden intergranulaire TiB2 netwerk bestaande uit grote B4 C-korrels en kleine TiB2 korrels vormden een uitstekend geleidend pad voor het doorgeven van elektrische stroom, wat gunstig was voor de verbetering van de elektrische geleidbaarheid. Bovendien hebben ze ook een controleerbare aanpassing van de mechanische en elektrische eigenschappen van B4 bereikt C–TiB2 keramiek door de optimale deeltjesgroottekoppeling van grondstofpoeders.
Het team publiceerde hun recensie in Journal of Advanced Ceramics op 25 april 2024.
"In dit werk hebben we zeer elektrisch geleidende B4 voorbereid C–TiB2 keramiek via een tweestapsmethode gebaseerd op de nieuwe selectieve matrixkorrelgroeistrategie. Tijdens het sinteren, kleine B4 C-korrels werden volledig geconsumeerd, waardoor er een kleine TiB2 overbleef korrels rond B4 C-korrels om de driedimensionaal onderling verbonden intergranulaire TiB2 te vormen netwerk.
"Als resultaat werden er meer geleidende kanalen gevormd en dus de elektrische geleidbaarheid van de composieten verbeterd", zegt Dr. Ran, de corresponderende auteur van het artikel, een professor aan de School of Materials Science and Engineering aan de Anhui University of Technology.
B4 C–15 vol% TiB2 composietkeramiek vervaardigd uit 10,29 µm B4 C- en 0,05 µm TiC-poeders vertoonden een perfect driedimensionaal onderling verbonden geleidend netwerk met een maximale elektrische geleidbaarheid van 4,25×10 4 S/m, samen met uitstekende mechanische eigenschappen, waaronder buigsterkte, Vickers-hardheid en breuktaaiheid van 691±58 MPa, 30,30±0,61 GPa en 5,75±0,32 MPa·m 1/2 respectievelijk, terwijl het composiet verkregen werd uit 3,12 µm B4 C- en 0,8 µm TiC-poeders hadden de beste mechanische eigenschappen, waaronder buigsterkte, Vickers-hardheid en breuktaaiheid van 827±35 MPa, 32,01±0,51 GPa en 6,45±0,22 MPa·m 1/2 , samen met een behoorlijke elektrische geleidbaarheid van 0,65×10 4 S/m.
"De in dit artikel voorgestelde methode kan zeer elektrisch geleidende keramiek bereiden met een laag gehalte aan geleidende fasen, wat de productiekosten aanzienlijk verlaagt en ook een nieuwe strategie biedt voor de regulering van de microstructuur en eigenschappen van composietkeramiek", aldus Dr. Ran.
De volgende stap is het herstructureren van het driedimensionale netwerk en het construeren van een perfecter geleidend netwerk door het introduceren van keramische deeltjes, snorharen, vezels, enz. Bovendien is het effect van de meerdere geleidende fasen op de microstructuur, elektrische eigenschappen en mechanische eigenschappen van de composietkeramiek moet in detail worden onderzocht om het geleidende mechanisme te onthullen.
Andere bijdragen zijn onder meer Jun Zhao, Xingshuo Zhang, Zongning Ma, Dong Wang en Xing Jin van de Anhui University of Technology in Maanshan, China; en Chaohu Universiteit in Hefei, China.