Nanocomposite-Keramik - Was sind Nanocomposite-Keramik?

Professor Vikas Tomar, Schule von Luftfahrt und von Astronautik, Purdue-Universität
Entsprechender Autor: tomar@purdue.edu

Über der letzten Keramik der halben Jahrhundert haben beträchtliche Aufmerksamkeit da Bewerbermaterialien für Gebrauch da strukturelle Materialien unter Bedingungen von hohen Belastungsraten, von hoher Temperatur, von Abnützung und von chemischem Angriff erhalten, die für Metalle zu schwer sind. Jedoch hat inhärente Zerbrechlichkeit der Keramik ihren breiten Gebrauch in den verschiedenen Anwendungen verhindert.

Beträchtliche wissenschaftliche Bemühung ist auf die Herstellung Fehler-toleranteren durchgehenden Auslegung der Keramik der ihrer Mikrostrukturen durch Inkorporation von Fasern gerichtet worden, oder Bärte, die überbrücken, der Bruch stellt gerade hinter dem Bruchumkippung gegenüber; durch das Konstruieren von Mikrostrukturen mit länglichen Körnern, die dienen, als Brücken zwischen Bruch gerade hinter dem Bruchumkippung gegenüberstellt; durch das Enthalten von zweiten Phasenpartikeln, die den Bruch ablenken, der es sich zu bewegen, lässt ein gewundenerer Pfad; und indem er Sekundärphasen, die durchmachen, Druck verursachte Volumenreihenentwicklung enthielt, die die Bruchgesichter zusammen erzwingt. Jedoch ist eins der Neuentwicklung die Verteilung von mehrfachen Phasen in einer keramischen Zusammensetzung an der nanoscopic Längenschuppe gewesen. Wegen des Vorherrschens von nanoscopic Merkmalen, gekennzeichnet solche Zusammensetzungen als keramische nanocomposites.

Die Definition von nanocomposite Material hat beträchtlich erweitert, um eine große Vielfalt von Anlagen wie eindimensionales, zweidimensionales, dreidimensionales umzugeben und amorphem Werkstoff, gemacht von den deutlich unähnlichen Bauteilen und an der nmschuppe gemischt. Die allgemeine Klasse von nanocomposite organischen/anorganischen Materialien ist ein schnell wachsender Bereich der Forschung. Die Verringerung der Größen der strukturellen Merkmale in den Materialien führt zu einen bedeutenden Anstieg im Teil von Oberflächen-/Schnittstellenatomen.

Die Oberflächen-/Schnittstellenenergie steuert im Wesentlichen die Eigenschaften eines Körpers. Schnittstellen liefern Mittelwerte, Inhomogenität im Material vorzustellen. Diese Inhomogenität tritt als eine beträchtliche Modifikation von thermischen und mechanischen Eigenschaften der Zusammensetzungen auf. Das Selektive Mischen von Materialien in einer in hohem Grade hergestellten Morphologie mit hohem Prozentsatz des Schnittstellenbereiches, führt zu Materialien mit erhöhten Eigenschaften.

Die Eigenschaften von Nano--zusammengesetzten Materialien hängen nicht nur von den Eigenschaften ihrer einzelnen Muttergesellschaft aber auch von ihrer Morphologie und von Zwischenflächen- Eigenschaften ab. Die nanocomposites finden ihren Gebrauch in den verschiedenen Anwendungen wegen der Verbesserungen in den Eigenschaften über den einfacheren Zellen. Wenige solcher Vorteile können wie zusammengefasst werden:

  • Verbesserte Stärke, Modul und Masshaltigkeit der Mechanischen Eigenschaften z.B.
  • Verringerte Durchlässigkeit zu den Gasen, zum Wasser und zu den Kohlenwasserstoffen
  • Höhere Wärmebeständigkeit und Erweichungstemperatur
  • Höherer Flamme Retardancy und verringerte Rauchemissionen
  • Höhere Chemikalienbeständigkeit
  • Glatteres Oberflächenaussehen
  • Höhere Elektrische Leitfähigkeit

Für die Bauteile, die in Gasturbinenmotor verwendet werden, sind eine Lebenszeit bis zu 10000 h und eine beibehaltene Stärke von MPa ~300 an einer Temperatur von °C 1400, zusammen mit geringfügiger Kriechgeschwindigkeit gefordert worden. Außerdem bei erhöhten Temperaturen, muss das Material hohen Widerstand zum Wärmestoß, zur Oxidation und zum unterkritischen Bruchfortschritt aufweisen. Keramische nanocomposites sind gezeigt worden, um für solche zukünftigen Anwendungen extrem wichtig zu sein.

Hoch entwickelte keramische MassenVerbundwerkstoffe, die hohen Temperaturen (°C) >1500 widerstehen können ohne Abbau oder Oxidation, können für Anwendungen wie strukturelle Teile Bewegungsmotoren, katalytische Wärmetauscher, Atomkraftwerke und Verbrennungsanlagen, außer ihrem Gebrauch in den Umwandlungs-Triebwerkanlagen der versteinerten Energie auch verwendet werden. Dieser harte, Hochtemperaturstall, Oxidation-beständigen keramischen Zusammensetzungen und Beschichtungen sind auch herein Nachfrage nach Flugzeug- und Raumfahrzeuganwendungen.

Eine solche materielle Anlage in dieser Klasse von Zusammensetzungen, Silikon-Karbid/Zusammensetzungen des Silikon-Nitrids (Sic/34Sünde), sind gezeigt worden, um unter Oxydierungsbedingungen der hohen Temperatur sehr gut durchzuführen. Zinsen an solchen nanocomposites begannen mit Experimenten von Niihara, 2 die über große Verbesserungen in der Bruchhärte und in der Festigkeitslehre, indem sie Partikel der nmreichweite (20-300 nm) innerhalb einer Grundmasse von größeren Körnern einbetteten und an den Kristallgrenzen berichteten. Eine Verbesserung 200% in der Stärke und in der Bruchhärte, bessere Speicherung der Stärke an den hohen Temperaturen und bessere Ausdehnungseigenschaften wurden beobachtet.

Hoch entwickelte nanocomposite Mikrostruktur wie die von polykristallinen Silikon-Karbid-(Sic) - Silikon-Nitrid (Si3N4) nanocomposites, Abbildung 1, enthält mehrfache Wortlängen- Schuppen mit Kristallgrenzen (GB)stärke der Ordnung von 50 nm, Sic Teilchengrößen der Ordnung 200-300 nm und Sünden34 der Korngrößen von der Ordnung von µm 0,8 bis 1,51. Die Mikrostruktur solch einer Zusammensetzung (und der ähnlichen anderer wie Zinn-Sünde,34 SIC-AlO-,23 SIC-SIC-, Graphene-/CNT+SiC und Kohlenstofffiber+sic nanocomposites) für ein gerichtetes Set Materialeigenschaften Zu Konstruieren ist deshalb eine gewaltige Aufgabe. Da die Mikrostruktur mehrfache Wortlängen- Schuppen miteinbezieht, ist Grundmaterialauslegung multiscale Analysen ein passender Anflug für solch eine Aufgabe.

Abbildung 1. Tatsächliche Mikrostruktur von einem nanocomposite SiC-Si3N41

Die keramische nanocomposite Arbeit in Multiphysics-Labor an Purdue-Fokussen auf (1) VerständnisLeistung des Karbids und des Nitrids Basierte Hohe Temperatur Keramisches Nanocomposites für die Extremen Umgebungen, die in den Stromerzeugungsschleifen Einschließlich KernAnwendungen, (2) Multiscale Formung und Kennzeichnung in den Oxid-Keramischen Materialien und (3) Verständniswärmeleitung und thermische Punkte in den Materialien für thermoelektrische Stromerzeugung gefunden wurden. Eine Beschreibung von bedeutenden Interessengebieten und Beiträge ist, wie folgt:

  • Verständniswärmeleitung und thermische Punkte, zum von Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zu entwickeln3-5: Diese Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis von atomistischen Vorrichtungen der Operation von nanocomposites für thermoelektrische Stromerzeugung so, dass Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit entwickelt werden konnten. Ausdrückliche molekulare Simulationen unter Verwendung der molekularen Dynamik (MD) werden durchgeführt, um zu verstehen, wie Morphologieänderungen verwendet werden können, um Wärmeleitfähigkeit in den nanocomposites zu verringern. Wir haben bestimmte biomimetic Vorbereitungen gefunden, die beträchtliche Reduzierung in der Wärmeleitung erzielen konnten. Wir sind bei der Herstellung und der Prüfung solcher Materialien.
  • VerständnisLeistung des Karbids und des Nitrids Basierte Hohe Temperatur Keramisches Nanocomposites für Extreme Umgebungen Einschließlich KernAnwendungen6-12: Diese Forschungsarbeit konzentriert sich auf Verständnisvorrichtungen von Raumtemperatur- und Temperaturoperationen von hoch entwickeltes nanocomposite keramischen Materialien, die Triebwerkanlageoperation bei den Temperaturen über K 1750 aktivieren können, das zu Leistungsfähigkeit von fast 70% und beträchtliche Reduzierung in den Pflanzenemissionen führt. Als Abzweigung konzentriert sich dieses Projekt auch auf thermische Eigenschaften dieser Materialien für möglichen Gebrauch als Multifunktionsmaterialien der hohen Temperatur, strukturelle Materialien der hohen Temperatur in den Kernanwendungen oder Thermosensoren in den Kernanwendungen.
  • Formung und Kennzeichnung Multiscale in den Oxid-Keramischen Materialien13-18: Fokus während dieser Arbeit ist auf Verständnismultiscale thermomechanischem Verhalten von hoch entwickelten Verbundwerkstoffen wie Multifunktions-Al+FeO-nanocrystalline23 Zusammensetzungen und Zusammensetzungen hochfester Rüstung23 AlO/2 TiB keramischen gewesen. Eine Diese Forschung auf dem Gebiet einer atomistischen Deformationsanalysen von Al+FeO-23 Multifunktions-nanocomposites unter Verwendung MD ist eine von der ersten im Bereich von atomistischen Deformationsanalysen von hoch entwickelten keramischen zusammengesetzten Nanomaterials. In dieser MD-Simulationen des Arbeitsgroßen umfangs von nanocrystalline Al+FeO23 Multifunktions- Zusammensetzungen, des Monokristall- Als, von Monokristall-FeO23 und der verschiedenen Zwischenflächen- Konfigurationen des MonokristallAls und des FeO23 werden durchgeführt. Zusammensetzungen Im Falle23 keramische Rüstung2 AlO/TiB, haben wir eine neue zusammenhängende Finite-Element-Methode für quantitative Kennzeichnung (CFEM) des dynamischen Bruchs entwickelt und angewendet.

Der oben genannte Beitrag basiert stark auf einem kooperatives multiscale Formenmaterial Auslegung-experimentellen aufbereitenden Anflug. Ein Schnappschuß des globalen kooperativen Forschungsanfluges auf der Formung, Auslegung und Fälschungshöhepunkten wird unten zur Verfügung gestellt.

Multiscale Formung von Keramischem Nanocomposites: Ein Beispiel der Arbeit in der SIC-Sünde34 Keramisches Nanocomposites

Unsere multiscale Analysen (an den nm- und Mikrometerlängen- und -zeitschuppen) basiert auf einer Kombination von CFEM und von MD basierten Techniken haben aufgedeckt, dass hochfeste und verhältnismäßig kleine Sic Partikel als Kerbwirkungssites in der Sündengrundmasse34 auftreten, die zu die inter-granulierte Sündengrundmasse34 führt, die als dominierender Versagenmodus knackt. CFEM-Analysen haben auch aufgedeckt, dass wegen einer beträchtlichen Anzahl von den Nano--groß Sic Partikeln, die in der mikro-groß Sündengrundmasse anwesend34 sind, die Sic Partikel unveränderlich in Spurregionen von den Mikrorissen fallen, die zu beträchtliche mechanische Festigkeit führen. Findenes Dieses wurde in den MD-Analysen bestätigt, die aufdeckten, dass der Partikel, der entlang dem GBs bündelt beträchtlich, die Stärke dieser nanocomposites erhöht. Während etwas nanocomposite Morphologien scharf SIC-Sünde Schnittstellen definiert34 haben19, haben andere nanocomposite Morphologien Diffusion von C-, N- oder Siatomen an den Schnittstellen20.

Im Falle SIC-Sünde34 nanocomposites haben MD-Analysen auch aufgedeckt, dass die zweiten Phasenpartikel dienen, als beträchtlich, betonen Erbauer im Falle der Monokristallsünden34 phasengrundmasse, welche beträchtlich die Stärke beeinflußt. Jedoch hat die Anwesenheit des Partikels keine erhebliche Auswirkung auf die mechanische Festigkeit von bicrystalline oder nanocrystalline Sünden34 phasengrundmassen. Die Stärke der SIC-Sünde34 nanocomposite Zellen zeigte eine nicht charakteristische Wechselbeziehung zwischen der Kristallgrenzen (GB)stärke und der Temperatur.

Die Stärke zeigte Abnahme mit Temperaturanstieg für die Zellen, die starkes GBs haben, Diffusion von C-, N- oder Siatomen zu haben. Jedoch für Zellen ohne beträchtliche GB-Stärke (keine Diffusion von C-, N- oder Siatomen), wegen des Partikelbündelns und -zunahme SIC-Sünde34 Zwischenflächen- Stärke mit Temperatur, verbesserte die Stärke mit Temperaturanstieg. Abbildung 2 zeigt Schnappschüsse von Bruchausbreitungsanalysen in solchen nanocomposites, die unter Verwendung des CFEM erreicht werden.

Abbildung 2. Schnappschüsse von mesoscale knacken Ausbreitung und Schadenausbreitung in den Sünde34 nanocomposites

Abbildung 3 Bildschirmanzeigeschnappschüsse erhalten unter Verwendung MD. Aktuelle Forschungsarbeit konzentriert sich auf das Erhalten von experimentellen Bildern der keramischen nanocomposites, die von den Mitarbeitern entwickelt werden, entwickelt nanoscale CFEM Maschen auf solchen Bildern, und führt Fehleranalysen unter Verwendung der Kombination von MD- und CFEM-Techniken durch.

Abbildung 3. Schnappschüsse der atomistischen Schaden- und Versagenausbreitung in zwei unterschiedlich Sic (Partikel) und Sünde34 (Grundmasse) nanocomposites bei zwei verschiedenen Temperaturen.

Petascale, das Grundmaterial-Auslegung Berechnet

Atomistische Analysen am nanoscale können wichtige Informationen über den Effekt von kritischen Merkmalen wie einem GB, eine Schnittstelle oder eine dreifache Kreuzung, Usw. auf mechanisches Deformationsverhalten einer kleinen nanoscale (das wenige ~ nm) Probe zuteilen. Im multiscale wird die Formung solcher Informationen verwendet, um materielle Baumuster der Makroskala (>few µm) für Verständnisabhängiges Deformationsverhalten der mikrostruktur einer materiellen Probe wie der zu formulieren, die in der Feige gezeigt wird. 1.

Passende mathematische Baumuster von Mikrostruktureigentumsbeziehungen dürfen Leistungen wie Bruchhärte, Bruchfestigkeit, Ermüdungslebenszeit Usw., auf Schlüsselmaterial-Mikrostrukturparametern wie Volumenbruch, Teilchengröße und Phasenzusammensetzung in Verbindung stehen. Da ein typischer nanoscale Prüfling viel kleiner ist und mannigfaltigen Umgebungen in einer typischen Mikrostruktur unterworfen wird (z.B. Feige. 1), die Inkorporation von nanoscale Informationen in den Makroskalabaumustern wird statistischer Ungewissheit unterworfen.

Wenn eine komplexe Mikrostruktur für ein gerichtetes Set Eigenschaften bestimmt sein soll, ist es wichtig, dass solche Ungewissheiten richtig innerhalb eines robusten materiellen Auslegungsrahmens mengenmäßig bestimmt und enthalten werden. Wir haben mit der Entwicklung eines variablen Treuebaumuster-Managementrahmens, der materielle Verhaltenanalysen an den mehrfachen Wortlängen- Schuppen in einem Auslegungsoptimierungsrahmen enthalten kann,21-24 (Zusammenarbeit mit Gruppe Profs John Renaud an der Universität von Notre Dame) vorangegangen.

Abbildung 4 Sonderkommandos der Prozessfluß eines petascale Multiphysik Baumuster-Führungsinstrumentes für multiscale materielle Auslegung. Ausgefahren auf einer petascale Maschine, ermöglicht das Auslegungshilfsmittel, das in dieser Forschung entwickelt wird, die atomistisches integriert und mesoscale Analysen unter Verwendung einer variablen Treue Managementrahmen formen, eine beträchtliche Reduzierung in den Entwicklungskosten und -zeit der Nanomaterials mit einer simultanen Zunahme der möglichen verschiedenen Kombinationen von einzelnen Verbundwerkstoffphasen, gewünschte materielle Leistung zu erzielen.

Der vorbildliche Managementrahmen21,22, außer der Leitung der Baumuster und der Schuppen, ist auch gut angepasst, hierarchischen Parallelismus zu steuern. Die natürliche Hierarchie ist MD innerhalb CFEM innerhalb der Auslegung unter Ungewissheit, unter Verwendung eines Mischprogrammierungsbaumusters SHMEMTM durch SGI für CFEM und MPI für MD und die Ungewissheitsformung. Können MD und die Ungewissheitsquantifikation (über quasi--Monte Carlo-Integration) 1000 Prozessoren und CFEM 10 verwenden, also Ungewissheitsquantifikationsgruppen 1000 von 10 CFEM-Gruppen von 1000 HMC-Prozessoren ist 107 Prozessoren und exascale sich nähern.

Abbildung 4. Materieller Auslegungs-Rahmen Diagramm Petascale

Einleitende materielle Auslegungsanalysen des Modellsystems sind durchgeführt worden, um die Morphologie in Verbindung gestandenen Parameter zu verstehen, die für optimales gerichtetes Set Eigenschaften esteuert sein müssen. Die Anwendung des Auslegungshilfsmittels konzentriert sich auf die keramischen zusammengesetzten Baumuster der kontinuierlichen (CFCCs) Faser von SIC-Sünde34 nanocomposites, Feige. 5. Die zweite Phase (Kreise und Zylinder) sind die Sic Fasern, die höheres Elastizitätsmodul und höhere Kriechstromfestigkeit (e) aber niedrigeren Ertragdruck haben und Härte zerbrechen, als die der Hauptsünden34 phase. Das Problem ist, das geeignetste CFCC, mit maximaler Stärke und Kriechstromfestigkeit für ein Set Außentemperaturen T zu konstruieren, in denen die Anzahl von Auslegungsvariablen ein abhängt, ob die Simulationsprüfungen auf dem Mass (3-D) Baumuster 2 dimensional (2-D) oder 3 gemacht werden. Die im nanocomposite Auslegungsoptimierungsproblem, für das 2-D Baumuster betrachtet zu werden Auslegungsvariablen, sind der Faserdurchmesser (d) und die Außentemperatur (T). Und für das 3-D Baumuster sind die betrachtet zu werden Auslegungsvariablen der Faserdurchmesser (d), die Länge von Fasern (L) und die Außentemperatur (T). Die Problemdarstellung in der Standardform wird unten gegeben:

Abbildung 5. Hochs und Tiefs-Treuebaumuster für die CFCC-nanocomposites

Abbildung 6 stellt normalisierte (0-100) Funktionswerte für die Stärke- und Kriechdehnungskinetik als Funktion der Auslegungsvariablen für das Baumuster der hohen Wiedergabetreue (3-D) und niedriges Treuebaumuster dar (2-D). Die Abbildung 6 (gelassen) zeigt eine Zunahme der CFCC-Stärke und eine entsprechende Abnahme an der Kriechdehnungskinetik, während die Auslegung variables d erhöht. Ähnlich für das Baumuster der hohen Wiedergabetreue, zeigt Fig. 6 (recht) eine Zunahme der CFCC-Stärke und eine entsprechende Abnahme an der Kriechdehnungskinetik, während die Auslegungsvariablen d und L erhöhen.

Abbildung 6. (gelassen) Stärke und Kriechdehnungskinetik auf 1500oC als Funktion der Auslegung variablen Breitehöhe (d) für das 2-D niedrige Treuebaumuster. (rechte) Stärke- und Kriechdehnungskinetik auf 1500°C als Funktion der Auslegungsvariablen Breitehöhe (d) und der Länge von Fasern (L) für die 3-D hohe Wiedergabetreue formen.

Fälschung

Fokus während dieser Aktivität ist auf der Formung eines kooperativen formen-geruhen-aufbereitenden Rahmens, in dem komplexe keramische nanocomposites für gerichtetes Set mechanische und nicht mechanische Eigenschaften produziert werden konnten, ohne beträchtliche Ausprobierenzeit und -geld zu vergeuden. Wir arbeiten mit Gruppe Profs Rajendra K Bordias an der Universität von Washington-Seattle zusammen. Polymer berechnete Keramik (PDCs) ist ein attraktiver Anflug, zum der materielle Auslegung vorausgesagten Morphologie von den keramischen nanocomposites zu machen. Erstes Niihara und seine Mitarbeiter und dann andere verwendeten diesen Anflug, um verstärkte Zusammensetzungen der Hochleistung zu machen nanoscale25-27.

Anhaltende Forschung in diesem Bereich hat zu die Entwicklung einer Reichweite der nanostructures geführt. Eine besonders interessante Klasse Materialien haben überwiegend formlose Si-O-c nanodomains, nanoscale Sic und C-zu enthalten Verstärkungen. Diese Materialien haben die gewünschten Eigenschaften für eine breite Reichweite der Hochtemperaturanwendungen beim Angebot der größeren Regelung über dem Aufbereiten, den Zusammensetzungen und nanostructure. PDCs werden produziert, indem man preceramic Polymere pyrolyzing und sind, gewöhnlich formlos bis sehr zur hohen Temperatur aber liefern sehr faszinierende keramisch ähnliche Eigenschaften, wie guter Ausdehnungs- und Oxidationswiderstand28,29.

Einige ihrer eindeutigen Eigenschaften beziehen sich auf in-situentstehung von nanodomains und Mangel an Kristallgrenzen in ihren Mikrostrukturen. Wegen der polymerischen Beschaffenheit (thermoset) der Vorläufer, ist diese Familie von Materialien leicht als Fasern, Grundmassen für Zusammensetzungen, poröse Zellen und Beschichtungen verarbeitbar30,31. Die Meisten studiertes PDCs können in drei Hauptgruppen kategorisiert werden: (i) karbonitriert oxycarbides Silikon des Silikonkarbids (Sic) (SiOC) (ii) und (iii) Silikon (SiCN). SiOCs und SiCNs liegen an ihrer hybriden molekularen Zusammensetzung zwischen SiO und Sic2 und zwischen Sic unterscheidendes und Sündigen34, beziehungsweise mit zusätzlichem Niveau „des freien“ Kohlenstoffes, wie schematisch dargestellt in Feige 7 für Si-O-c Anlage.

Abbildung 7. Diagramm von Phasen-Beziehungen in der Si-O-c Anlage

Ein eindeutiges nanostructural Merkmal dieser Materialien ist, dass der esteuerte überschüssige Kohlenstoff als graphene Schichten mit Gebietsgröße einiger nm zerstreut wird. Regelung von und das Verständnis der Entwicklung solcher nanostructural Merkmale, unter Verwendung eines integrierten experimentellen und atomistischen Simulationsanfluges, ist der Fokus unserer kooperativen Forschung.

Quittung

Die in Verbindung stehende Forschungsarbeit in unserem Labor ist durch Halterung vom US-Luftwaffe-Büro der Wissenschaftlichen Forschung ermöglicht worden (Projektleiter: Dr. Joan Voller), die Uns-Abteilung von Energie und die Uns-Nationale Wissenschafts-Basis


Bezüge

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Copyright AZoNano.com, Professor Vikas Tomar (Purdue-Universität)

Date Added: Jan 31, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:13

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