Céramique de Nanocomposite - Quelle est Céramique de Nanocomposite ?

Professeur Vikas Tomar, École d'Aéronautique et d'Astronautique, Université de Purdue
Auteur Correspondant : tomar@purdue.edu

Au-dessus de la céramique antérieure de demi siècle ont suscité l'attention significative car des matériaux de candidat pour l'usage car les matériaux structurels dans des conditions des taux de chargement élevés, de la température élevée, de l'usure, et de la crise chimique qui sont trop sévères pour des métaux. Cependant, la fragilité inhérente de la céramique a évité leur utilisation large dans différentes applications.

L'effort scientifique Significatif a été orienté sur effectuer un design traversant imperfection-tolérant de céramique de leurs microstructures par la constitution des fibres ou les favoris qui pont la fêlure fait face juste derrière l'extrémité de fêlure ; en concevant des microstructures avec les textures oblongues qui agissent en tant que les passerelles entre la fêlure fait face juste derrière l'extrémité de fêlure ; en comportant les particules de deuxième étape qui guident la fêlure l'effectuant pour se déplacer un chemin plus tortueux ; et en comportant les phases secondaires qui subissent l'extension de volume provoquée par la tension qui force la fêlure fait face ensemble. Cependant, un de la plupart de développement récent a été la distribution des phases multiples dans un composé céramique à l'échelle nanoscopic de longueur. En raison de la prévalence des caractéristiques techniques nanoscopic, de tels composés désigné sous le nom des nanocomposites céramiques.

La définition du matériau de nanocomposite a élargi sensiblement pour entourer une grande variété de systèmes tels que les matériaux unidimensionnels, bidimensionnels, en trois dimensions et amorphes, fait de composants distinctement différents et mélangé à l'échelle de nanomètre. La classe générale de matériaux organiques/minéraux de nanocomposite est un domaine de recherche à croissance rapide. La Réduction des tailles des caractéristiques techniques structurelles en matériaux mène à une augmentation significative dans la partie d'atomes de surface/surface adjacente.

Les énergies de surface/surface adjacente règlent essentiellement les propriétés d'un solide. Les Surfaces Adjacentes fournissent des moyens d'introduire la non-homogénéité dans le matériau. Cette non-homogénéité agit en tant que modification significative des propriétés thermiques et mécaniques des composés. Le mélange Sélecteur des matériaux dans une morphologie fortement réglée au pourcentage élevé de zone de surface adjacente, mène aux matériaux avec les propriétés améliorées.

Les propriétés des matériaux nano-composés dépendent non seulement des propriétés de leurs différents parents mais également de leur morphologie et caractéristiques dièdres. Les nanocomposites trouvent leur utilisation dans applications variées à cause des améliorations dans les propriétés au-dessus des structures plus simples. Peu de tels avantages peuvent être récapitulés comme :

  • Force Améliorée de propriétés Mécaniques par exemple, module et stabilité dimensionnelle
  • Perméabilité Diminuée aux gaz, à l'eau et aux hydrocarbures
  • La température Plus Élevée de stabilité Thermique et de déformation thermique
  • Un retardancy Plus Élevé de Flamme et des émissions de fumée réduites
  • Une résistance Chimique Plus Élevée
  • Un aspect Extérieur plus Lisse
  • Une conductivité Électrique Plus Élevée

Pour des composants utilisés dans un turbomoteur, une vie jusqu'à 10000 h et une force maintenue de l'Avion de patrouille maritime ~300 à une température du °C 1400 ont été postulées, avec des tarifs négligeables de fluage. En Outre, aux températures élevées, le matériau doit montrer de haute résistance au choc thermique, à l'oxydation, et à la progression de la fissure sous-critique. Les nanocomposites Céramiques se sont avérés extrêmement importants pour de telles futures applications.

Des matériaux composites céramiques en vrac Avancés qui peuvent supporter les températures élevées (°C) >1500 sans dégradation ou oxydation peuvent également être utilisés pour des applications telles que les pièces structurelles d'engines de moteur, échangeurs de chaleur catalytiques, centrales nucléaires, et systèmes de combustion, sans compter que leur utilisation dans des centrales de conversion d'énergie fossile. Ces gamme de produits dure et à hautes températures, composés céramiques oxydation-résistants et couches sont également dedans demande des applications d'aéronefs et de vaisseau spatial.

Un tel système matériel dans cette classe des composés, Carbure de Silicium/composés Nitrure de Silicium (Code indicatif de sujet/34Péché), ont été affichés pour exécuter très bien dans des conditions de oxydation de température élevée. L'Intérêt pour de tels nanocomposites a commencé par les expériences de Niihara2 qui ont enregistré de grandes améliorations dans la dureté de fracture et la force des matériaux en incrustant des particules du domaine de nanomètre (20-300 nanomètre) dans une modification de plus grandes textures et aux joints de grain. On a observé une amélioration 200% dans la force et la dureté de fracture, une meilleure retenue de force aux températures élevées, et de meilleures propriétés de fluage.

Une microstructure avancée de nanocomposite de ce type du Carbure de Silicium polycristallin (Code indicatif de sujet) - des nanocomposites du Nitrure de Silicium (Si3N4), le Schéma 1, contient les échelles à longueur aléatoire avec l'épaisseur de joint de grain (GB) de la commande de 50 nanomètres, dimensions des particules de Code indicatif de sujet de la commande des grosseurs du grain de 200-300 nanomètre et34 de Péché de la commande du µm 0,8 à 1,51. Le Modèle de la microstructure d'un tel composé (et d'autres assimilés tel que des nanocomposites34 d'Étain-Péché,23 de Code indicatif de sujet-AlO, de Code indicatif de sujet-Code indicatif de sujet, de Graphene/CNT+SiC, et de Carbone Fiber+SiC) pour un ensemble visé de propriétés matérielles est, pour cette raison, une tâche effrayante. Puisque la microstructure concerne les échelles à longueur aléatoire, le design matériel basé d'analyses de multiscale est un élan approprié pour une telle tâche.

Le Schéma 1. microstructure Réelle d'un nanocomposite SiC-Si3N41

Le travail céramique de nanocomposite dans le Laboratoire de Multiphysics aux foyers de Purdue sur (1) la Performance de Compréhension de la Température Élevée Basée de Carbure et de Nitrure Nanocomposites Céramique pour les Environnements Extrêmes a trouvé dans des cycles de production d'électricité Comprenant des Applications Nucléaires, (2) Modélisation de Multiscale et Caractérisation en Matériaux Céramiques d'Oxyde et (3) délivrances thermiques de Compréhension de conduction et de thermique en matériaux pour la production d'électricité thermoélectrique. Une description des centres d'intérêt importants et des cotisations est comme suit :

  • Délivrances thermiques de Compréhension de conduction et de thermique pour développer des matériaux avec la conduction thermique faible3-5: Ce travail se concentre sur comprendre les mécanismes atomistiques du fonctionnement des nanocomposites pour la production d'électricité thermoélectrique tels que des matériaux avec la conduction thermique faible pourraient être développés. Des simulations moléculaires Expressément utilisant la dynamique moléculaire (MD) sont exécutées pour comprendre comment l'altération de morphologie peut être employée pour réduire la conduction thermique dans les nanocomposites. Nous avons trouvé certains arrangements biomimetic qui pourraient réaliser la réduction significative dans la conduction thermique. Nous sommes en cours d'effectuer et tester de tels matériaux.
  • Performance de Compréhension de la Température Élevée Basée de Carbure et de Nitrure Nanocomposites Céramique pour les Environnements Extrêmes Comprenant des Applications Nucléaires6-12: Ce travail de recherches se concentre sur les mécanismes de compréhension des fonctionnements de température ambiante et de température élevée des matériaux céramiques de nanocomposite avancé qui peuvent activer le fonctionnement de centrale aux températures au-dessus de K 1750 menant aux efficiences presque de 70% et à la réduction significative dans les émissions de centrale. Comme ramification, ce projet se concentre également sur les propriétés thermiques de ces matériaux pour l'usage possible comme matériaux multifonction de température élevée, matériaux structurels de température élevée dans des applications nucléaires ou senseurs de la chaleur dans des applications nucléaires.
  • Modélisation et Caractérisation de Multiscale en Matériaux Céramiques d'Oxyde13-18: Le Foyer pendant ce travail a été sur le comportement thermomécanique de compréhension de multiscale des matériaux composites avancés tels que les composés multifonction23 de nanocrystalline d'Al+FeO et les composés céramiques23 de blindage de haute résistance2 d'AlO/TiB. Cette recherche sur des analyses atomistiques de déformation des nanocomposites23 multifonction d'Al+FeO utilisant la DM est une de la première dans la zone des analyses atomistiques de déformation des nanomaterials composés céramiques avancés. Dans des simulations de cette de travail DM de large échelle des composés multifonction23 du nanocrystalline Al+FeO, d'Al mono-cristallin, de FeO mono-cristallin23, et des configurations dièdres variées d'Al mono-cristallin et de FeO23 sont exécutés. Les composés céramiques23 Dans le cas d'AlO2 /TiB de blindage, nous avons développé et avons utilisé une méthode d'élément fini cohésive neuve (CFEM) pour la caractérisation quantitative de la fracture dynamique.

La cotisation ci-dessus est fortement basée à un élan de traitement design-expérimental de modéliser-matériau de collaboration de multiscale. Un instantané de l'élan de collaboration général de recherches sur modéliser, design, et points culminants de fabrication est fourni ci-dessous.

Modélisation de Multiscale de Nanocomposites Céramique : Un Exemple de Travail dans le Code indicatif de sujet-Péché34 Nanocomposites Céramique

Nos analyses de multiscale (aux échelles de temps de nanomètre et de longueur et de micromètre) basées sur une combinaison des techniques basées de CFEM et de DM ont indiqué que les particules de haute résistance et relativement de petite taille de Code indicatif de sujet agissent en tant que sites de concentration de contrainte dans la modification34 de Péché menant à la modification granulitique34 de Péché fêlant comme mode de dérangement dominant. Les analyses de CFEM ont également indiqué qu'en raison d'un nombre important de particules de taille d'une nano de Code indicatif de sujet étant présentes dans la modification de taille micro34 de Péché, les particules de Code indicatif de sujet tombent invariable dans des régions de sillage des microfissures menant à la force mécanique significative. Ceci trouvant a été confirmé dans les analyses de DM qui ont indiqué que la particule groupant le long du GBs augmente de manière significative la force de ces nanocomposites. Tandis Que quelques morphologies de nanocomposite ont tranchant défini des surfaces adjacentes34 de Code indicatif de sujet-Péché19, d'autres morphologies de nanocomposite ont la diffusion des atomes de C, de N, ou de SI aux surfaces adjacentes20.

Dans le cas des nanocomposites34 de Code indicatif de sujet-Péché, les analyses de DM ont également indiqué que les particules de deuxième étape agissent en tant que significatif chargent des éleveurs dans le cas de la modification mono-cristalline34 de phase de Péché affectant la force de manière significative. Cependant, la présence des particules n'exerce pas un effet significatif sur la force mécanique des modifications de phase de Péché de bicrystalline34 ou de nanocrystalline. La force des structures34 de nanocomposite de Code indicatif de sujet-Péché a affiché une corrélation non caractéristique entre l'épaisseur de joint de grain (GB) et la température.

La force a affiché la diminution avec l'augmentation de la température pour des structures ayant GBs épais avoir la diffusion des atomes de C, de N, ou de SI. Cependant, pour des structures sans l'épaisseur appréciable de GB (aucune diffusion des atomes de C, de N, ou de SI), en raison du groupement et de l'augmentation des particules de la force34 dièdre de Code indicatif de sujet-Péché avec la température, la force s'est améliorée avec l'augmentation de la température. Le Schéma 2 affiche des instantanés des analyses de bouturage de fracture dans de tels nanocomposites obtenus utilisant le CFEM.

Le Schéma 2. Instantanés du mesoscale fissure la propagation et endommagent le bouturage dans les nanocomposites34 de Péché

Le Schéma 3 instantanés d'affichages obtenus utilisant la DM. Le travail Actuel de recherches se concentre sur obtenir des images expérimentales des nanocomposites céramiques développés par des collaborateurs, développant des mailles du nanoscale CFEM sur de telles images, et exécutant des analyses de défaillance utilisant la combinaison des techniques de DM et de CFEM.

Le Schéma 3. Instantanés du bouturage atomistique des dégâts et de défaillance dans les nanocomposites différents du Code indicatif de sujet deux (particule) et34 du Péché (modification) aux deux températures différentes.

Petascale Calculant le Design Matériel Basé

Les analyses Atomistiques au nanoscale peuvent transmettre des informations importantes sur l'effet des caractéristiques techniques critiques telles qu'une GB, une surface adjacente, ou une jonction triple, Etc. sur le comportement mécanique de déformation d'un petit échantillon de nanoscale (~ peu nanomètre). Dans le multiscale la modélisation d'une telle information est employée pour préparer les modèles matériels de macro-échelle (µm de >few) pour le comportement dépendant de compréhension de déformation de microstructure d'un échantillon matériel tel que celui affiché dans Fig. 1.

Les modèles mathématiques Appropriés des rapports de propriété de microstructure laissent associer des performances comme la dureté de fracture, la force éventuelle, la résistance à la fatigue Etc., aux paramètres de microstructure de matériel de base comme la fraction de volume, la dimension particulaire, et la composition en phase. Puisqu'un échantillon typique de test de nanoscale est beaucoup plus petit et est soumis aux environs divers dans une microstructure typique (par exemple Fig. 1), la constitution d'information de nanoscale dans des modèles de macro-échelle est soumise à l'incertitude statistique.

Si une microstructure complexe doit être conçue pour un ensemble visé de propriétés, il est important que de telles incertitudes soient correctement mesurées et comportées dans un cadre matériel robuste de design. Nous avons frayé un chemin le développement d'un cadre variable de management de modèle de fidélité qui peut comporter des analyses matérielles de comportement aux échelles à longueur aléatoire dans un cadre d'optimisation de design21-24, (Collaboration avec le groupe de Prof. John Renaud à l'Université de Notre Dame).

Le Schéma 4 petits groupes le flux de processus d'un outil de gestion de modèle de multi-physique de petascale pour le design matériel de multiscale. Déployé sur une machine de petascale, l'outil de design développé dans cette recherche, qui intègre atomistique et des analyses de mesoscale utilisant une fidélité variable modélisent le cadre de management, facilitera une réduction significative dans le coût et le temps de développement des nanomaterials avec une augmentation simultanée des différentes combinaisons possibles de différentes phases de matériau composite de réaliser la performance matérielle désirée.

Le cadre modèle de management21,22, sans compter que manager les modèles et les échelles, est également bien adapté pour régler le parallélisme hiérarchique. La hiérarchie naturelle est DM dans CFEM dans le design sous l'incertitude, utilisant un modèle de programmation mélangé SHMEMTM par SGI pour CFEM et MPI pour la DM et la modélisation d'incertitude. La DM et la quantification d'incertitude (par l'intermédiaire de l'intégration de Carlo de quasi-Monte) peuvent utiliser 1000 compilateurs, et CFEM 10, ainsi les groupes 1000 de quantification d'incertitude de 10 groupes de CFEM de 1000 compilateurs de HMC est 107 compilateurs, s'approchant de l'exascale.

Le Schéma 4. Cadre Matériel de Design de Petascale de Schéma

Des analyses matérielles Préliminaires de design du système modèle ont été exécutées pour comprendre les paramètres associés par morphologie qui doivent être réglés pour l'ensemble visé optimal de propriétés. L'application de l'outil de design se concentre sur les modèles composés céramiques de fibre (CFCCs) continue des nanocomposites34 de Code indicatif de sujet-Péché, Fig. 5. La deuxième étape (des cercles et des cylindres) sont les fibres de Code indicatif de sujet qui ont un module élastique plus élevé et une résistance au fluage plus élevée (e) mais un effort de fléchissement inférieur et rompent la dureté, que cela de la phase primaire34 de Péché. Le problème est de concevoir le CFCC le plus adapté, avec l'efficacité maximale et la résistance au fluage pour un ensemble des températures externes T, où le nombre de variables de design dépendra de si les tests de simulation sont exécutés sur le modèle (à trois dimensions) à deux dimensions (2-D) ou à trois dimensions. Les variables de design à considérer dans le problème d'optimisation de design de nanocomposite, pour le 2-D modèle, sont le diamètre de fibres (d) et la température externe (t). Et pour le modèle à trois dimensions les variables de design à considérer sont le diamètre de fibres (d), la longueur des fibres (l) et la température externe (t). La définition de problème sous la forme standard est donnée ci-dessous :

Le Schéma 5. modèles de fidélité de Ciel et terre pour les nanocomposites de CFCC

Le Schéma 6 montre des valeurs normales de fonctionnement (de 0-100) pour la vitesse de déformation de force et de fluage en fonction des variables de design pour le modèle de haute fidélité (à trois dimensions) et le modèle faible de fidélité (2-D). Le Schéma 6 (laissé) affiche une augmentation de la force de CFCC et une diminution correspondante de la vitesse de déformation de fluage à mesure que le design d variable augmente. De Même pour le modèle de haute fidélité, Fig. 6 (droite) affiche une augmentation de la force de CFCC et une diminution correspondante de la vitesse de déformation de fluage à mesure que les variables d et l de design augmentent.

Le Schéma 6. (laissé) vitesse de déformation de Force et de fluage à 1500oC en fonction de la largeur-hauteur variable de design (d) pour le 2-D modèle faible de fidélité. (bonne) vitesse de déformation de Force et de fluage à 1500°C en fonction de la largeur-hauteur de variables de design (d) et de la longueur des fibres (l) pour le modèle de haute fidélité à trois dimensions.

Fabrication

Le Foyer pendant cette activité est sur former un cadre de modéliser-daigner-traitement de collaboration où des nanocomposites céramiques complexes pour l'ensemble visé de propriétés mécaniques et non mécaniques pourraient être produits sans gaspiller le temps significatif et l'argent de test et erreur. Nous collaborons avec le groupe de Prof. Rajendra K Bordia's à l'Université de Washington-Seattle. La céramique dérivée par Polymère (PDCs) est un élan attrayant pour effectuer la morphologie prévue par design matériel des nanocomposites céramiques. Le Premier Niihara et ses collègues et alors d'autres ont employé cet élan pour effectuer les composés renforcés par nanoscale de haute performance25-27.

La recherche Prolongée dans cette zone a mené au développement d'un domaine des nanostructures. Une en particulier classe intéressante des matériaux ont les nanodomains principalement amorphes SI-O-c contenir des renforcements de Code indicatif de sujet et de C de nanoscale. Ces matériaux ont les caractéristiques désirées pour une large gamme d'applications à hautes températures tout en offrant un contrôle plus grand du traitement, des compositions et du nanostructure. PDCs sont produits par pyrolyzing les polymères preceramic et sont en général amorphe jusqu'très à la température élevée mais fournissent les propriétés comme céramique très intrigantes, telles que la bonne résistance de fluage et d'oxydation28,29.

Certaines de leurs seules propriétés sont associées avec la formation in-situ des nanodomains et le manque de joints de grain dans leurs microstructures. En Raison de la nature polymère (thermoset) des précurseurs, cette famille des matériaux est facilement traitable comme fibres, modifications pour des composés, structures poreuses et couches30,31. Les La Plupart PDCs étudié peuvent être classées par catégorie dans trois Groupes principaux : (i) les oxycarbides de silicium du carbure de silicium (Code indicatif de sujet) (ii) (SiOC) et (iii) le silicium carbonitrides (SiCN). SiOCs et SiCNs sont dus distinctif à leur composition moléculaire hybride entre SiO2 et Code indicatif de sujet et entre le Code indicatif de sujet et le Péché34, respectivement avec le niveau supplémentaire du carbone « libre » comme schématiquement illustré dans la Figue 7 pour le système SI-O-c.

Le Schéma 7. Schéma des Rapports de Phase dans le Système SI-O-c

Une seule caractéristique technique nanostructural de ces matériaux est que le carbone excédentaire réglé est dispersé comme couches de graphene avec la taille de domaine de quelques nanomètres. Le Contrôle de, et la compréhension du développement de telles caractéristiques techniques nanostructural, utilisant un élan expérimental et atomistique intégré de simulation, est le centre de notre recherche de collaboration.

Remerciement

Le travail relatif de recherches dans notre laboratoire a été rendu possible par le support à partir du Bureau de Force de Nous-Air de la Recherche Scientifique (Gestionnaire de programme : M. Joan Plus Plein), le Nous-Service de l'Énergie, et la Fondation Nous-Nationale de la Science


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Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Vikas Tomar (Université de Purdue)

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

Last Update: 13. June 2013 23:10

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