¿Cerámica de Nanocomposite - Cuáles son Cerámica de Nanocomposite?

Profesor Vikas Tomar, Escuela de la Aeronáutica y de la Astronáutica, Universidad de Purdue
Autor Correspondiente: tomar@purdue.edu

Sobre la última cerámica del medio siglo han recibido la atención importante pues los materiales del candidato para el uso pues los materiales estructurales bajo condiciones de las altas velocidades de carga, de la temperatura alta, del desgaste, y del ataque químico que son demasiado severos para los metales. Sin Embargo, la fragilidad inherente de la cerámica ha prevenido su uso amplio en diversas aplicaciones.

El esfuerzo científico Importante ha sido dirigido hacia la elaboración de un diseño directo falla-más tolerante de la cerámica de sus microestructuras por la incorporación de fibras o las barbas que puentean la rajadura hacen frente apenas detrás de la punta de la rajadura; diseñando microestructuras con los granos alargados que actúan mientras que los puentes entre la rajadura hacen frente apenas detrás de la punta de la rajadura; incorporando las segundas partículas de la fase que desvían la rajadura que hace que viaja un camino más tortuoso; e incorporando las fases secundarias que experimentan la tensión indujo la extensión de volumen que fuerza las superficies de la rajadura juntas. Sin Embargo, uno de la mayoría del reciente desarrollo ha sido la distribución de fases múltiples en un compuesto de cerámica en la escala nanoscopic de la longitud. Debido a la incidencia de características nanoscopic, tales compuestos se refieren como nanocomposites de cerámica.

La definición del material del nanocomposite ha ensanchado importante para abarcar una gran variedad de sistemas tales como materiales unidimensionales, bidimensionales, tridimensionales y amorfos, hecho de componentes distintamente disímiles y mezclados en la escala del nanómetro. La clase general de los materiales orgánicos/inorgánicos del nanocomposite es un campo de investigación de rápido crecimiento. Reducir las tallas de características estructurales en materiales lleva a un aumento importante en la porción de átomos de la superficie/del interfaz.

Las energías de la superficie/del interfaz esencialmente controlan las propiedades de un macizo. Los Interfaces proporcionan a medios de introducir falta de homogeneidad en el material. Esta falta de homogeneidad actúa como modificación importante de las propiedades térmicas y mecánicas de los compuestos. La mezcla Selectiva de materiales en una morfología altamente adaptada con el alto porcentaje del área del interfaz, lleva a los materiales con las propiedades aumentadas.

Las propiedades de materiales nano-compuestos dependen no sólo de las propiedades de sus padres individuales pero también de su morfología y características de cara a cara. Los nanocomposites encuentran su uso en diversas aplicaciones debido a las mejorías en las propiedades sobre las estructuras más simples. Pocas de tales ventajas se pueden resumir como:

  • Fuerza Mejorada de las propiedades Mecánicas e.g, módulo y estabilidad dimensional
  • Permeabilidad Disminuida a los gases, al agua y a los hidrocarburos
  • Una temperatura Más Alta de la estabilidad Térmica y de la distorsión de calor
  • Una retardancia Más Alta de la Llama y emisiones de humo reducidas
  • Una resistencia Química Más Alta
  • Un aspecto Superficial Más Liso
  • Una conductividad Eléctrica Más Alta

Para los componentes usados en un motor de turbina de gas, un curso de la vida hasta 10000 h y una fuerza conservada de MPa ~300 en una temperatura del °C 1400 se han postulado, así como tipo insignificante del deslizamiento. Además, en las temperaturas elevadas, el material debe exhibir alta resistencia a la descarga eléctrica térmica, a la oxidación, y al incremento de rajadura subcrítico. Los nanocomposites De Cerámica se han mostrado para ser extremadamente importantes para tales aplicaciones futuras.

Los materiales compuestos de cerámica a granel Avanzados que pueden soportar las temperaturas altas (°C) >1500 sin la degradación o la oxidación se pueden también utilizar para las aplicaciones tales como piezas estructurales de los motores del motor, cambiadores de calor catalíticos, centrales nuclear, y sistemas de la combustión, además de su uso en centrales eléctricas de la conversión de energía fósil. Este establo duro, de alta temperatura, compuestos de cerámica oxidación-resistentes y capas son también hacia adentro demanda para las aplicaciones de los aviones y de la nave espacial.

Un tal sistema material en esta clase de los compuestos, Carburo de Silicio/compuestos del Nitruro de Silicio (Sic/34Pecado), se ha mostrado para realizarse muy bien bajo condiciones oxidantes das alta temperatura. El Interés en tales nanocomposites comenzó con los experimentos de Niihara2 que señalaron mejorías grandes en la fortaleza de la fractura y la fuerza de materiales embutiendo partículas del rango del nanómetro (20-300 nanómetro) dentro de una matriz de granos más grandes y en los límites de grano. Una mejoría 200% en fuerza y fortaleza de la fractura, una mejor retención de la fuerza en las temperaturas altas, y mejores propiedades del deslizamiento fueron observadas.

Una microestructura avanzada del nanocomposite tal como la de los nanocomposites policristalinos del Nitruro de Silicio del Carburo de Silicio (Sic) - (Si3N4), Cuadro 1, contiene escalas de varios largos con el espesor del límite (GB) de grano de la orden de 50 nanómetro, Sic tamaños de las partículas de la orden de las tallas de 200-300 nanómetro y34 de grano del Pecado de la orden del µm 0,8 a 1,51. El Diseño de la microestructura de tal compuesto (y de otros similares tales como nanocomposites34 del Estaño-Pecado,23 del SIC-AlO, de SIC-SIC, de Graphene/CNT+SiC, y del Carbón Fiber+SiC) para un conjunto apuntado de propiedades materiales es, por lo tanto, una tarea de enormes proporciones. Puesto Que la microestructura implica escalas de varios largos, el diseño de la materia prima de los análisis del multiscale es una aproximación apropiada para tal tarea.

Cuadro 1. microestructura Real de un nanocomposite SiC-Si3N41

El trabajo de cerámica del nanocomposite en el Laboratorio de Multiphysics en los enfoques de Purdue en (1) el Funcionamiento de Comprensión del Carburo y Nitruro Basó Nanocomposites De Cerámica De Alta Temperatura para los Ambientes Extremos encontrados en ciclos de la producción de energía Incluyendo Aplicaciones Nucleares, (2) Modelado de Multiscale y Caracterización en Materiales De Cerámica del Óxido y (3) conducción térmica de Comprensión y las ediciones térmicas en los materiales para la producción de energía termoeléctrica. Una descripción de campos de interés importantes y las contribuciones es como sigue:

  • Conducción térmica de Comprensión y ediciones térmicas para desarrollar los materiales con conductividad térmica inferior3-5: Este trabajo se centra en la comprensión de mecanismos atomísticos de la operación de los nanocomposites para la producción de energía termoeléctrica tales que los materiales con conductividad térmica inferior podrían ser desarrollados. Las simulaciones moleculares Explícitas usando dinámicas moleculares (MD) se realizan para entender cómo los cambios de la morfología se pueden utilizar para reducir conductividad térmica en nanocomposites. Hemos encontrado ciertas ordenaciones biomimetic que podrían lograr la reducción importante en la conducción térmica. Estamos en curso de fabricación y prueba de tales materiales.
  • El Funcionamiento de Comprensión del Carburo y del Nitruro Basó Nanocomposites De Cerámica De Alta Temperatura para los Ambientes Extremos Incluyendo Aplicaciones Nucleares6-12: Este trabajo de investigación se centra en mecanismos de comprensión de la temperatura ambiente y operaciones das alta temperatura de los materiales de cerámica del nanocomposite avanzado que pueden activar la operación de la central eléctrica en las temperaturas superior a K 1750 que lleva a las eficiencias del casi 70% y a la reducción importante en las emisiones de la instalación. Como vástago, este proyecto también se centra en las propiedades térmicas de estos materiales para el uso posible como los materiales multifuncionales des alta temperatura, los materiales estructurales des alta temperatura en aplicaciones nucleares o sensores del calor en aplicaciones nucleares.
  • Modelado y Caracterización de Multiscale en Materiales De Cerámica del Óxido13-18: El Enfoque durante este trabajo ha estado en el comportamiento termomecánico de comprensión del multiscale de materiales compuestos avanzados tales como compuestos multifuncionales23 del nanocrystalline de Al+FeO y compuestos de cerámica23 del blindaje de alta resistencia2 del AlO/de TiB. Esta investigación sobre análisis atomísticos de la deformación de los nanocomposites23 multifuncionales de Al+FeO usando DOCTOR EN MEDICINA es una del primera en el área de los análisis atomísticos de la deformación de nanomaterials compuestos de cerámica avanzados. En este DOCTOR EN MEDICINA simulaciones del gran escala del trabajo de los compuestos multifuncionales23 del nanocrystalline Al+FeO, del Al monocristalino, de FeO monocristalino23, y de diversas configuraciones de cara a cara del Al monocristalino y de FeO23 se realizan. En el caso los compuestos23 de cerámica del blindaje2 del AlO/de TiB, hemos desarrollado y hemos utilizado un nuevo método de elemento finito cohesivo (CFEM) para la caracterización cuantitativa de la fractura dinámica.

La contribución antedicha se basa fuertemente en una aproximación de tramitación diseño-experimental del modelar-material colaborativo del multiscale. Una foto de la aproximación colaborativa total de la investigación en el modelado, el diseño, y puntos culminantes de la fabricación se proporciona abajo.

Modelado de Multiscale de Nanocomposites De Cerámica: Un Ejemplo del Trabajo en el SIC-Pecado34 Nanocomposites De Cerámica

Nuestros análisis del multiscale (en el nanómetro y la longitud y escala de tiempo del micrómetro) basados en una combinación de CFEM y del DOCTOR EN MEDICINA técnicas basadas han revelado que Sic las partículas de alta resistencia y relativamente pequeñas actúan como sitios de la concentración de tensión en la matriz34 del Pecado que lleva a la matriz intergranular34 del Pecado que se quiebra como modo de fallo dominante. Los análisis de CFEM también han revelado eso debido a un número importante Sic Sic nano-clasificadas de partículas que estaban presentes en la matriz34 micro-clasificada del Pecado, la caída de las partículas invariante en regiones de la estela de microrajas que llevaban a la fuerza mecánica importante. Esto que encontraba fue confirmada en el DOCTOR EN MEDICINA análisis que reveló que la partícula que se agrupa a lo largo del GBs aumenta importante la fuerza de estos nanocomposites. Mientras Que algunas morfologías del nanocomposite han definido sostenidamente interfaces34 del SIC-Pecado19, otras morfologías del nanocomposite tienen difusión de los átomos de C, de N, o del Si en los interfaces20.

En el caso de nanocomposites34 del SIC-Pecado, el DOCTOR EN MEDICINA análisis también ha revelado que actúan las segundas partículas de la fase como importante esfuerzo a cultivadores en el caso de la matriz monocristalina34 de la fase del Pecado que afecta a la fuerza importante. Sin Embargo, la presencia de la partícula no tiene un efecto importante sobre la fuerza mecánica de las matrices de la fase del Pecado del bicrystalline34 o del nanocrystalline. La fuerza de las estructuras34 del nanocomposite del SIC-Pecado mostró una correlación desacostumbrada entre el espesor del límite (GB) de grano y la temperatura.

La fuerza mostró la disminución con aumento en la temperatura para las estructuras que tenían GBs grueso el tener de difusión de los átomos de C, de N, o del Si. Sin Embargo, para las estructuras sin el espesor apreciable del GB (ninguna difusión de los átomos de C, de N, o del Si), debido al agrupamiento y al aumento de la partícula en fuerza34 de cara a cara del SIC-Pecado con temperatura, la fuerza mejoró con aumento en temperatura. El Cuadro 2 muestra fotos de los análisis de la propagación de la fractura en tales nanocomposites obtenidos usando el CFEM.

El Cuadro 2. Fotos del mesoscale quiebra la propagación y la propagación del daño en los nanocomposites34 del Pecado

Cuadro 3 fotos de las visualizaciones obtenidas usando DOCTOR EN MEDICINA. El trabajo de investigación Actual se centra en la obtención de imágenes experimentales de los nanocomposites de cerámica desarrollados por los colaboradores, desarrollando endentados del nanoscale CFEM en tales imágenes, y realizando análisis del incidente usando la combinación de las técnicas del DOCTOR EN MEDICINA y de CFEM.

Cuadro 3. Fotos de la propagación atomística del daño y del incidente en dos diferentes nanocomposites Sic (partícula) y34 del Pecado (matriz) en dos diversas temperaturas.

Petascale Que Calcula Diseño de la Materia Prima

Los análisis Atomísticos en el nanoscale pueden comunicar la información importante sobre el efecto de características críticas tales como un GB, un interfaz, o una unión triple, Etc. sobre comportamiento mecánico de la deformación de una pequeña muestra del nanoscale (~ poco nanómetro). En multiscale el modelado de tal información se utiliza para formular los modelos materiales de la macroescala (µm del >few) para el comportamiento relacionado de comprensión de la deformación de la microestructura de una muestra material tal como la que está mostrada en Fig. 1.

Los modelos matemáticos Apropiados de las relaciones de la propiedad de la microestructura permiten relacionarse funcionamientos como la fortaleza de la fractura, la fuerza final, el curso de la vida de fatiga Etc., con los parámetros de la microestructura del material dominante como la fracción de volumen, la talla de partícula, y la composición de la fase. Puesto Que una muestra típica de la prueba del nanoscale es mucho más pequeña y se sujeta a los alrededores variados en una microestructura típica (e.g. la Fig. 1), la incorporación de la información del nanoscale en modelos de la macroescala se sujeta a la incertidumbre estadística.

Si se va una microestructura compleja a ser diseñada para un conjunto apuntado de propiedades, es importante que tales incertidumbres estén cuantificadas e incorporadas correctamente dentro de un marco material robusto del diseño. Hemos promovido el revelado de un marco variable de la administración del modelo de la fidelidad que puede incorporar análisis materiales del comportamiento en las escalas de varios largos en un marco de optimización de diseño21-24, (Colaboración con el grupo de Profesor Juan Renaud en la Universidad de Notre Dame).

Cuadro 4 detalles el flujo de proceso de una herramienta de gestión del modelo de la multi-física del petascale para el diseño material del multiscale. Desplegado en una máquina del petascale, la herramienta de diseño desarrollada en esta investigación, que integra atomístico y los análisis del mesoscale usando una fidelidad variable modela el marco de la administración, facilitará una reducción importante en el costo y el tiempo del revelado de los nanomaterials con un aumento simultáneo en las diversas combinaciones posibles de las fases individuales del material compuesto de lograr funcionamiento material deseado.

El marco modelo de la administración21,22, además de manejar los modelos y las escalas, está también bien adaptado controlar paralelismo jerárquico. La jerarquía natural es DOCTOR EN MEDICINA dentro de CFEM dentro del diseño bajo incertidumbre, usando un modelo programado mezclado SHMEMTM por el SGI para CFEM y MPI para el DOCTOR EN MEDICINA y el modelado de la incertidumbre. El DOCTOR EN MEDICINA y la cuantificación de la incertidumbre (vía la integración de Carlo del quasi-Monte) pueden utilizar 1000 procesadores, y CFEM 10, así que los grupos 1000 de la cuantificación de la incertidumbre de 10 grupos de CFEM de 1000 procesadores de HMC es 107 procesadores, acercando al exascale.

Cuadro 4. Marco Material del Diseño de Petascale del Diagrama Esquemático

Los análisis materiales Preliminares del diseño del sistema modelo se han realizado para entender los parámetros relacionados morfología que deben ser controlados para el conjunto apuntado óptimo de propiedades. La aplicación de la herramienta de diseño se está centrando en los modelos compuestos de cerámica de la fibra (CFCCs) contínua de los nanocomposites34 del SIC-Pecado, Fig. 5. La segunda fase (los círculos y los cilindros) es Sic las fibras que tienen un módulo de elástico más alto y una resistencia de deslizamiento más alta (e) pero tensión de rendimiento más inferior y fracturan fortaleza, que el de la fase primaria34 del Pecado. El problema es diseñar el CFCC más conveniente, con la resistencia máxima de la fuerza y de deslizamiento para un conjunto de las temperaturas externas T, donde dependerá el número de variables del diseño conectado si las pruebas de la simulación están funcionadas con en el modelo (tridimensional) de 2 dimensiones (2.o) o de 3 dimensiones. Las variables del diseño que se considerarán en el problema de la optimización de diseño del nanocomposite, para el 2.o modelo, son el diámetro de las fibras (d) y la temperatura externa (t). Y para el modelo tridimensional las variables del diseño que se considerarán son el diámetro de las fibras (d), la longitud de las fibras (l) y la temperatura externa (t). La definición de problema en formulario estándar se da abajo:

Cuadro 5. modelos de la fidelidad de Cielo y tierra para los nanocomposites de CFCC

El Cuadro 6 ilustra los valores normalizados de la función (de 0-100) para el tipo de deformación de la fuerza y del deslizamiento en función de las variables del diseño para el modelo de alta fidelidad (tridimensional) y el modelo inferior de la fidelidad (2.o). El Cuadro 6 (dejado) muestra un aumento en la fuerza de CFCC y una disminución correspondiente del tipo de deformación del deslizamiento mientras que el diseño d variable aumenta. Semejantemente para el modelo de alta fidelidad, la Fig. 6 (correcta) muestra un aumento en la fuerza de CFCC y una disminución correspondiente del tipo de deformación del deslizamiento mientras que las variables d y l del diseño aumentan.

Cuadro 6. (dejado) tipo de deformación de la Fuerza y del deslizamiento en 1500oC en función de la ancho-altura variable del diseño (d) para el 2.o modelo inferior de la fidelidad. tipo de deformación (correcto) de la Fuerza y del deslizamiento en 1500°C en función de la ancho-altura de las variables del diseño (d) y de la longitud de las fibras (l) para el modelo de alta fidelidad tridimensional.

Fabricación

El Enfoque durante esta actividad está en la formación de un marco de modelar-dignar-tramitación colaborativo donde los nanocomposites de cerámica complejos para el conjunto apuntado de propiedades mecánicas y no mecánicas podrían ser producidos sin perder tiempo importante y el dinero del ensayo y error. Estamos colaborando con el grupo de Profesor Rajendra K Bordia en la Universidad de Washington-Seattle. La cerámica derivada Polímero (PDCs) es una aproximación atractiva para hacer la morfología prevista diseño material de nanocomposites de cerámica. Primer Niihara y sus compañeros de trabajo y entonces otros utilizaron esta aproximación para hacer compuestos reforzados nanoscale del alto rendimiento25-27.

La investigación Continuada en esta área ha llevado al revelado de un rango de nanostructures. Una determinado clase interesante de materiales tiene nanodomains predominante amorfos Si-O-c el contener del nanoscale los refuerzos Sic y de C. Estos materiales tienen las características deseadas para una amplia gama de aplicaciones das alta temperatura mientras que ofrecen mayor mando sobre el tramitación, las composiciones y nanostructure. PDCs es producido pyrolyzing los polímeros preceramic y es típicamente amorfo hasta muy de alta temperatura pero proporciona a muy intrigante de cerámica-como propiedades, tales como buena resistencia del deslizamiento y de oxidación28,29.

Algunas de sus propiedades únicas se asocian a la formación "in-situ" de nanodomains y a la falta de límites de grano en sus microestructuras. Debido a la naturaleza polimérica (thermoset) de los precursores, esta familia de materiales es fácilmente procesable como fibras, matrices para los compuestos, estructuras porosas y capas30,31. La Mayoría PDCs estudiado se pueden categorizar en tres grupos principales: (i) los oxycarbides del silicio del carburo de silicio (Sic) (ii) (SiOC) y (iii) el silicio carbonitrides (SiCN). SiOCs y SiCNs son distintivo debido a su composición molecular híbrida entre SiO2 y Sic y en medio Sic y SiN34, respectivamente con el nivel adicional de carbón “libre” según lo ilustrado esquemáticamente en el Higo 7 para el sistema Si-O-c.

Cuadro 7. Diagrama Esquemático de las Relaciones de la Fase en el Sistema Si-O-c

Una característica nanostructural única de estos materiales es que exceso del carbón controlado está dispersado como capas del graphene con la talla del dominio de algunos nanómetros. El Mando de, y la comprensión del revelado de tales características nanostructural, usando una aproximación experimental y atomística integrada de la simulación, es el enfoque de nuestra investigación colaborativa.

Acuse De Recibo

El trabajo de investigación relacionado en nuestro laboratorio ha sido hecho posible por el soporte de la Oficina de la Fuerza del Nosotros-Aire de la Investigación Científica (Program manager: El Dr. Joan Más Completo), el Departamento de Energía de EE. UU., y el Asiento Nosotros-Nacional de la Ciencia


Referencias

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Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Vikas Tomar (Universidad de Purdue)

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

Last Update: 13. June 2013 23:42

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