Een beetje hBN in keramiek zou ze uitstekende eigenschappen kunnen geven, volgens een wetenschapper van Rice University.

Rouzbeh Shahsavari, een assistent-professor civiele en milieutechniek, suggereerde dat de opname van ultradunne hexagonale boornitride (hBN) -platen tussen lagen calciumsilicaten een interessant dubbellaags kristal met multifunctionele eigenschappen zou maken. Deze kunnen geschikt zijn voor constructie- en vuurvaste materialen en toepassingen in de nucleaire industrie, olie en gas, ruimtevaart en andere gebieden die hoogwaardige composieten vereisen.

Het combineren van de materialen zou een keramiek opleveren dat niet alleen sterk en duurzaam is, maar ook bestand tegen hitte en straling. Volgens de berekeningen van Shahsavari, calciumsilicaten met ingevoegde lagen van tweedimensionaal hBN zouden voldoende kunnen worden gehard om als afscherming te dienen in nucleaire toepassingen zoals energiecentrales.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste materialen en interfaces .

Tweedimensionaal hBN heeft de bijnaam wit grafeen en lijkt van boven op grafeen, met gekoppelde zeshoeken die een ultradun vlak vormen. Maar hBN verschilt van grafeen omdat het bestaat uit afwisselend boor en stikstof, in plaats van koolstof, atomen.

"Dit werk toont de mogelijkheid van materiaalversterking op de kleinst mogelijke afmeting, het basisvlak van keramiek, " zei Shahsavari. "Dit resulteert in een dubbellaags kristal waarin hBN een integraal onderdeel is van het systeem in tegenstelling tot conventionele versterkende vulstoffen die losjes zijn verbonden met het gastheermateriaal.

"Onze studie op hoog niveau toont energetische stabiliteit en aanzienlijke verbetering van eigenschappen dankzij de covalente binding, ladingsoverdracht en orbitale vermenging tussen hBN en calciumsilicaten, " hij zei.

De vorm van keramiek die het lab bestudeerde, bekend als tobermoriet, heeft de neiging zichzelf te assembleren in lagen van calcium en zuurstof die bij elkaar worden gehouden door silicaatketens terwijl het opdroogt tot gehard cement. Shahsavari's onderzoek op moleculaire schaal toonde aan dat hBN goed mengt met tobermoriet, glijdt in de ruimten tussen de lagen terwijl de boor- en zuurstofatomen zich binden en de platte hBN-platen knikken.

Deze accordeonachtige knik is te wijten aan de chemische affiniteit en ladingsoverdracht tussen de booratomen en tobermoriet die het composiet stabiliseert en het een hoge sterkte en taaiheid geeft, eigenschappen die gewoonlijk tegen elkaar opwegen in technische materialen, zei Shahsavari. De verklaring lijkt een tweefasig mechanisme te zijn dat plaatsvindt wanneer de hBN-lagen worden blootgesteld aan spanning of spanning.

Shahsavari's modellen van horizontaal gestapelde tobermoriet en tobermoriet-hBN toonden aan dat de composiet drie keer sterker en ongeveer 25 procent stijver was dan het gewone materiaal. Computeranalyse toonde aan waarom:terwijl de silicaatketens in tobermoriet faalden wanneer ze werden gedwongen om langs hun assen te draaien, de hBN-platen verlichtten de spanning door eerst los te knikken en vervolgens te verstijven.

Wanneer gecomprimeerd, gewone tobermoriet vertoonde een lage vloeigrens (of elasticiteitsmodulus) van ongeveer 10 gigapascal (GPa) met een rekgrens (het punt waarop een materiaal vervormt) van 7 procent. De composiet vertoonde een vloeigrens van 25 GPa en een rek tot 20 procent.

"Een groot nadeel van keramiek is dat ze broos zijn en breken bij hoge spanning of spanning, " zei Shahsavari. "Onze strategie overwint deze beperking, biedt verbeterde taaiheid en taaiheid terwijl de sterkte-eigenschappen worden verbeterd.

"Als extraatje de thermische en stralingstolerantie van het systeem neemt ook toe, het weergeven van multifunctionele eigenschappen, " zei hij. "Deze kenmerken zijn allemaal belangrijk om verslechtering van keramiek te voorkomen en hun levensduur te verlengen, daardoor bespaart u op energie- en onderhoudskosten."

Toen het materiaal vanuit andere hoeken werd getest, verschillen tussen de pure tobermoriet en de composiet waren minder uitgesproken, maar gemiddeld hBN verbeterde de eigenschappen van het materiaal aanzienlijk.

"Vergeleken met eendimensionale vulstoffen zoals conventionele vezels of koolstofnanobuisjes, 2-D materialen zoals hBN zijn tweezijdig, dus ze hebben twee keer de oppervlakte per massa-eenheid, " zei Shahsavari. "Dit is perfect voor versterking en hechting aan de omringende matrix."

Hij zei dat andere 2D-materialen zoals molybdeendisulfide, niobiumdiselenide en gelaagd dubbel hydroxide kunnen ook geschikt zijn voor het bottom-up ontwerp van hoogwaardige keramiek en andere multifunctionele composietmaterialen.