Nanocomposite 세라믹스 - Nanocomposite 세라믹스는 무엇입니까?

Vikas Tomar 의 항공학과 항주학퍼듀 대학교의 학교 교수
대응 저자: tomar@purdue.edu

과거 반세기 세라믹스에 금속을 위해 너무 가혹한 높은 선적 비율, 고열, 착용 및 화학적 공격의 조건 하에서 중요한 주목을 때문에 사용을 위한 후보자 물자 때문에 구조상 물자 받기. 그러나, 세라믹스의 고유한 취성은 다른 응용에 있는 그들의 넓은 사용을 방지했습니다.

중요한 과학적인 노력은 섬유의 합동에 의해 그들의 미세의 세라믹스 더관대한 직행 디자인을 만들기로 지시되었습니다 또는 다리를 놓는 곳수염은 균열 끝의 뒤에 균열 다만 직면합니다; 균열 사이 브리지가 균열 끝의 뒤에 다만 직면하는 때 작동하는 늘어나는 곡물을 가진 미세를 디자인해서; 이동하기 위하여 그것을 더 꼬불꼬불한 경로 만드는 균열을 빗나가게 하는 두번째 단계 입자를 통합해서; 그리고 겪는 이차 단계를 통합해서 긴장은 균열 마스크를 함께 강제하는 부피 팽창을 유도했습니다. 그러나, 신 개발의 하나는 계속 nanoscopic 길이 가늠자에 세라믹 합성물에 있는 다중 단계의 배급입니다. nanoscopic 특징의 보급 때문에, 그 같은 합성물은 세라믹 nanocomposites로 불립니다.

nanocomposite 물자의 정의는, 명백하게 닮지 않은 분대로 만들어서 및 나노미터 가늠자에 섞인 1차원 2차원의, 3차원 및 무조직 물자와 같은 시스템의 큰 다양성을 포위하기 위하여 현저하게 확장했습니다. nanocomposite 유기/무기 물자의 일반적인 종류는 급성장 연구 분야입니다. 물자에 있는 구조상 특징의 규모를 감소시키는 것은 표면/공용영역 원자의 부분에 있는 중요한 증가로 이끌어 냅니다.

표면/공용영역 에너지는 필수적으로 고체의 속성을 통제합니다. 공용영역은 물자에 있는 비 균질성을 소개하는 방법을 제공합니다. 이 비 균질성은 합성물의 열기도 하고 기계적 성질의 중요한 수정으로 작동합니다. 공용영역 지역의 높은 백분율과 높게 맞추어진 형태학에 있는 물자의 선택적인 섞는 것은 강화한 속성을 가진 물자로, 이끌어 냅니다.

nano 합성 물자의 속성은 그들의 개별적인 부모의 속성에 또한 그들의 형태학 및 계면 특성에 뿐만 아니라 달려 있습니다. nanocomposites는 간단한 구조에 속성에 있는 개선 때문에 각종 응용에 있는 그들의 사용을 찾아냅니다. 이점의 몇몇은과 같은 요약될 수 있습니다:

  • 향상된 기계적 성질 예를들면 병력, 계수 및 차원 안정성
  • 가스, 근해 및 탄화수소에 줄 침투성
  • 더 높은 열 안정성과 열 찡그림 온도
  • 더 높은 프레임 retardancy 및 감소된 연기 배출
  • 더 높은 내화학성
  • 더 매끄러운 지상 외관
  • 더 높은 전기 전도도

1400년 °C의 온도에 가스 터빈 엔진에서, 10000 h까지 일생 및 ~300 MPa의 유지된 병력은 사소한 포복 비율과 함께 이용된 분대를 위해, 가정되었습니다. 게다가, 높은온도에, 물자는 열충격, 산화 및 덜한 균열 성장에 고저항을 전시해야 합니다. 세라믹 nanocomposites는 그 같은 미래 응용을 위해 매우 중요하기 위하여 보였습니다.

산화 고열을 (강직 없는 >1500 °C) 또는 저항할 수 있는 향상된 대량 세라믹 복합 재료는 또한 모터 엔진 촉매 열교환기, 원자력 발전소, 및 화석 에너지 변환 발전소에 있는 그들의 사용외에 연소 시스템의 구조상 부속과 같은 응용을 위해, 이용될 수 있습니다. 이 단단한, 고열 안정, 산화 저항하는 세라믹 합성물 및 코팅은 또한 항공기와 우주선 응용을 위해 수요가 많습니다.

합성물, 실리콘 탄화물/실리콘 질화물 (SiC/죄악) 합성물의 이 종류에 있는 1개의 그 같은34 물자 시스템은 고열 산화 조건 하에서 아주 잘 능력을 발휘하기 위하여, 보였습니다. 그 같은 nanocomposites에 있는 관심사는 더 큰 곡물의2 매트릭스 내의 나노미터 범위 (20-300 nm) 입자를 내재해서 그리고 결정 입자 경계에 큰 개선을 물자의 골절 강인성 그리고 병력 둘 다에 있는 보고한 Niihara의 실험에서 시작했습니다. 병력과 골절 강인성 둘 다에 있는 200%년 개선, 고열에 병력의 더 나은 보유, 및 더 나은 포복 속성은 관찰되었습니다.

다결정 실리콘 탄화물 (SiC)의 그것과 같은 향상된 nanocomposite 미세는 - 실리콘 질화물 (Si3N4) nanocomposites 숫자 1, 50 nm의 명령의 (GB) 결정 입자 경계 간격을 가진 배수 길이 가늠자, 0.8에서 1.5 µm의 명령의 200-300 nm와34 죄악 입자 크기의 명령의 SiC 입자 크기를 포함합니다1. 그런 합성물 (및 주석 죄악 SiC 항공 연락 장교, SiC SiC, Graphene/CNT+SiC34 및 물자23 속성의 표적으로 한 세트를 위해 탄소 Fiber+SiC nanocomposites와 같은 유사한 그 외)의 미세를 디자인하는 것은, 그러므로, 곤란한 과제입니다. 미세가 배수 길이 가늠자를 관련시키기 때문에, multiscale 분석 기지를 둔 물자 디자인은 그런 업무를 위한 적합한 접근입니다.

숫자 1. SiC Si3N4 nanocomposite의 실제적인 미세1

(1) 탄화물의 이해 성과에 Purdue 초점에 Multiphysics 실험실에 있는 세라믹 nanocomposite 일은과 질화물 핵 응용을 포함하여 발전 주기에서 찾아낸 극단적인 환경을 위한 고열 세라믹 Nanocomposites를, (2) 산화물 도재에 있는 Multiscale 만들고 및 특성 및 (3) 열전 발전을 위한 물자에 있는 이해 열 유도 및 열 문제점 기지를 두었습니다. 과 기여금 중요한 관심 분야의 묘사는 다음과 같이 입니다:

  • 낮은 열 전도도를 가진 물자를 개발하는 이해 열 유도 및 열 문제점3-5: 이 일은 열전 발전을 위한 nanocomposites의 작동의 원자 기계장치 이해에 낮은 열 전도도를 가진 물자가 개발될 수 있었다 그 같은 집중합니다. 분자동역학을 사용하여 명백한 분자 시뮬레이션은 (MD) nanocomposites에 있는 열 전도도를 감소시키기 위하여 형태학 변경이 어떻게 이용될 수 있는지 이해하기 위하여 실행됩니다. 우리는 열 유도에 있는 중요한 감소를 달성할 수 있던 특정 biomimetic 배열을 찾아냈습니다. 우리는 그 같은 물자 만들고 시험하기의 과정에서 입니다.
  • 탄화물과 질화물의 이해 성과는 핵 응용을 포함하여 극단적인 환경을 위한 고열 세라믹 Nanocomposites를 기지를 두었습니다6-12: 이 연구 활동은 실내 온도의 이해 기계장치 및 약 70%의 효율성 및 공장 방출에 있는 중요한 감소로 이끌어 내는 1750년 K를 초과하여 온도에 발전소 작동을 가능하게 할 수 있는 향상된 nanocomposite 도재의 고열 작동에 집중합니다. 분지로, 이 계획사업은 또한 핵 응용에 있는 고열 다기능 물자, 고열 구조상 물자 또는 핵 응용에 있는 열 센서로 가능한 사용을 위한 이 물자의 열 속성에 집중합니다.
  • 산화물 도재에 있는 Multiscale 만들고 및 특성13-18: 이 일 도중 초점은 다기능 Al+FeO nanocrystalline 합성물 및 고강도 항공 연락 장교/TiB 세라믹 기갑 합성물과 같은 향상된23 복합 재료의 이해 multiscale23 thermomechanical 행동2 에 있었습니다. MD를 사용하여 Al+FeO 다기능 nanocomposites의 원자 개악23 분석에 대한 이 연구는 향상된 세라믹 합성 nanomaterials의 원자 개악 분석의 지역에서 첫번째의 하나입니다. nanocrystalline Al+FeO 다기능 합성물의 이 일 대규모 MD23 시뮬레이션에서는, 단 하나 크리스탈 FeO 그리고 단 하나 크리스탈 알루미늄23 및 FeO의 각종 계면 윤곽의 단 하나 크리스탈 알루미늄의, 23 능력을 발휘됩니다. 항공 연락 장교/23TiB 세라믹2 기갑의 경우에 합성물, 우리는 동적인 골절의 양이 많은 특성을 위해 새로운 점착력이 있는 (CFEM) 유한 요소법을 개발하고 사용했습니다.

위 기여금은 협조적인 multiscale 만들 물자 디자인 실험적인 가공 접근에 강하게 근거를 둡니다. 만들고, 디자인 및 제작 하이라이트에 전반적인 협조적인 연구 접근의 스냅은 아래에 제공됩니다.

세라믹 Nanocomposites의 Multiscale 만들기: SiC 죄악 세라믹 Nanocomposites에 있는 일의34 보기

CFEM와 MD에 기지를 둔 기술의 조합에 근거를 둔 우리의 multiscale 분석은 (나노미터 및 마이크로미터 길이 및 시간의 척도에) 고강도와 상대적으로 작은 크기 SiC 입자가 지배적인 고장 형태로 부수는 입자 간 죄악 매트릭스34 로 이끌어 내는 죄악 매트릭스에 있는34 응력 집중 사이트로 작동한다는 것을 제시했습니다. CFEM 분석은 또한 마이크로 치수가 재진 죄악 매트릭스, 중요한 기계적인 병력으로 이끌어 내는 미소 균열의 항적 지구에 있는 SiC34 입자 가을에서 존재하는 nano 치수가 재진 SiC 입자의 중요한 수 때문에 그것을 불변으로 제시했습니다. 찾아내는 이것은 제시한 MD 분석에서 GBs에 따라서 클러스터하는 입자는 중요하게 이 nanocomposites의 병력을 증가한다는 것을 확인되었습니다. 약간 nanocomposite 형태학이 예리한 SiC 죄악 공용영역을 정의하는34 동안19, 그밖 nanocomposite 형태학에는 공용영역에 C, N, 또는 Si 원자의 유포가 있습니다20.

SiC 죄악 nanocomposites34 의 경우에, MD 분석은 또한 중요할 때 두번째 단계 입자가 압박한다는 것을 조달자를 작동할 병력에 중요하게 영향을 미치는 단 하나34 크리스탈 죄악 단계 매트릭스의 경우에 제시했습니다. 그러나, 입자의 존재에는 bicrystalline 또는 nanocrystalline 죄악 단계 매트릭스의 기계적인 병력에 대한 중요한 효력이34 없습니다. SiC 죄악 nanocomposite 구조물의34 병력은 결정 입자 경계 간격과 온도 사이 (GB) 특색 없는 상호 관계를 보여주었습니다.

병력은 C, N, 또는 Si 원자의 유포가 있는 두꺼운 GBs가 있는 구조물을 위한 온도에 있는 증가를 가진 감소를 보여주었습니다. 그러나, 평가할 수 있는 GB 간격 (C, N, 또는 Si 원자의 유포 없음) 없이 구조물을 위해, 온도를 가진 SiC 죄악 계면 병력에 있는 입자 클러스터34 및 증가 때문에, 병력은 온도에 있는 증가로 향상했습니다. 숫자 2는 CFEM를 사용하여 장악된 그 같은 nanocomposites에 있는 골절 번식 분석의 스냅을 보여줍니다.

mesoscale의 숫자 2. 스냅은 죄악 nanocomposites에 있는 번식 그리고 손상 번식을34 부숩니다

MD를 사용하는 장악되는 숫자 3 전시 스냅. 현재 연구 활동은 그 같은 심상에 nanoscale CFEM 메시를 개발하고, MD와 CFEM 기술의 조합을 사용하여 실패 분석을 능력을 발휘해 합작자가 개발한 세라믹 nanocomposites의 실험적인 심상 장악에 집중합니다.

2 2개의 다른 온도에 다른 SiC (입자)에 있는 원자 손상과 실패 번식의 숫자34 3. 스냅과 죄악 (매트릭스) nanocomposites.

기지를 둔 물자 디자인 계산 Petascale

nanoscale에 원자 분석은 GB와 같은 중요한 특징의 효력에 관하여 중요한 정보를 공용영역, 또는 작은 nanoscale (몇몇 ~ nm) 견본의 기계적인 개악 행동에 대한 3배 접속점, 등등 나누어 줄 수 있습니다. multiscale에서 그 같은 정보를 만드는 것은 FIG. 1.에서 보인 것과 같은 물자 견본의 이해 미세 의존하는 개악 행동을 위한 거시 (>few µm) 물자 모형을 공식화하기 위하여 이용됩니다.

미세 속성 관계의 적합한 수학적 모형은 부피율, 입자 크기 및 단계 구성 같이 주요 물질 미세 매개변수와 골절 강인성, 극한 강도, 피로 일생 등등 같이 성과를, 관련시키는 것을 허용합니다. 전형적인 nanoscale 시험 견본이 매우 더 작기 전형적인 미세에 있는 가지가지 주위를 복종되기 때문에 (예를들면 FIG. 1)는 통계 불확실을, 거시 모형에 있는 nanoscale 정보의 합동 복종됩니다.

복잡한 미세가 속성의 표적으로 한 세트를 위해 디자인될 것인 경우에, 그 같은 불확실이 강력한 물자 디자인 기구 안에 정확하게 양이 정해지고 통합되다 중요합니다. 우리는 Notre Dame의 대학에 디자인 최적화 기구에 있는 배수 길이 가늠자에 물자 행동 분석을 통합할 수 있는 변하기 쉬운 절조 모형 관리21-24 기구의 발달을, (교수 단과 가진 죤 Renaud 협력) 개척했습니다.

숫자 4 세부사항 multiscale 물자 디자인을 위한 petascale 다중 물리학 모형 관리 도구의 가공 교류. , 원자를 통합하고 변하기 쉬운 절조를 사용하여 mesoscale가 분석 관리 기구를 만드는, 이 연구에서 발육된 설계 도구는 petascale 기계에 배치해 요구한 물자 성과를 얻는 개별적인 복합 재료 단계의 가능한 다른 조합에 있는 동시 증가를 가진 nanomaterials의 개발비 그리고 시간에 중요한 감소를 촉진할 것입니다.

모형 및 가늠자21,22처리외에 모형 관리 기구는, 또한, 적절합니다 계층적인 평행을 통제하기 위하여. 자연적인 계층구조는 MD와 불확실 만들기를 위한 CFEM 그리고 MPI를 위한 SGI에 의하여 혼합 프로그램TM 모형 SHMEM를 사용하여 불확실의 밑에 디자인 내의 CFEM 내의 MD, 입니다. MD와 불확실 정량화는 둘 다 (quasi-Monte Carlo 통합을 통해), 그래서 1000의 HMC 처리기의 10명의 CFEM 단의 1000년 불확실 정량화 단입니다 exascale를 접근하는 10의 처리기 1000의 처리기 및7 CFEM 10를 사용할 수 있습니다.

숫자 4. 개략도 Petascale 물자 디자인 기구

모델 시스템의 예비적인 물자 디자인 분석은 속성의 최적 표적으로 한 세트를 위해 통제되어야 하는 형태학 관련 매개변수를 이해하기 위하여 능력을 발휘했습니다. 설계 도구의 응용은 SiC 죄악 nanocomposites, FIG. 5.의 지속적인 (CFCCs) 섬유 세라믹 합성34 모형에 집중하고 있습니다. 두번째 단계는 (원형과 실린더) 더 높은 탄성 계수 및 더 높은 포복 저항 (e) 그러나 더 낮은 항복 응력이 있고 강인성을 골절하는 1 차적인 죄악 단계의 그것 보다는 SiC 섬유에는, 34 입니다. 문제는 시뮬레이션 시험은 2 차원의 (제 2) 또는 3 차원 (3번째) 모형에 달린다는 것을 디자인 가변의 수가 에 달려 있을 외부 온도 T의 세트를 위한 최대 병력과 포복 저항과 더불어 가장 적당한 CFCC를, 디자인하기 위한 것입니다. nanocomposite 디자인 최적화 문제에서, 제 2 모형을 위한 고려될 디자인 가변은, 섬유 직경 (d) 및 외부 온도 (t)입니다. 그리고 3번째 모형을 위해 고려될 디자인 가변은 섬유 직경 (d), 섬유 (l)의 길이 및 외부 온도 (t)입니다. 표준형에 있는 문제 정의는 아래와 같이 주어집니다:

숫자 5.는 CFCC nanocomposites를 위해 가는곳마다 절조 만듭니다

숫자 6은 (3번째) 고충실도 모형 및 낮은 절조 모형 (제 2)를 위한 디자인 가변의 기능으로 병력과 포복 긴장율을 위한 정상화하는 (0-100) 기능 가치를 설명합니다. 디자인 변하기 쉬운 d가 증가하는 만큼 (남겨두는) 숫자 6은 CFCC 병력에 있는 증가 및 포복 긴장율에 있는 대응 감소를 보여줍니다. 디자인 가변 dl가 증가하는 만큼 유사하게 고충실도 모형을 위해, (맞은) FIG. 6은 CFCC 병력에 있는 증가 및 포복 긴장율에 있는 대응 감소를 보여줍니다.

(남겨두는) 숫자 6. 제 2 낮은 절조 모형을 위한 디자인 변하기 쉬운 폭 고도 (d)의 기능으로 1500oC에 병력과 포복 긴장율. (디자인 가변 폭 고도 (d) 및 3번째 고충실도 모형을 위한 섬유 (l)의 길이의 기능으로 1500°C에 적당한) 병력과 포복 긴장율.

제작

이 활동 도중 초점은 기계 및 비 기계적인 속성의 표적으로 한 세트를 위한 복잡한 세라믹 nanocomposites가 중요한 예심 및 과실 시간 및 돈지 낭비 없이 일어날 수 있던 협조적인 만들 하시 가공 기구 형성에 있습니다. 우리는 워싱톤 시애틀의 대학에 교수 단으로 Rajendra K Bordia 공저하고 있습니다. 중합체에 의하여 파생된 세라믹스는 (PDCs) 세라믹 nanocomposites의 물자 디자인에 의하여 예상된 형태학을 만드는 매력적인 접근 입니다. 첫번째 Niihara 및 그의 협력자는 및 그 때 그 외 이 고성능 nanoscale에 의하여 강화된 합성물을 만들기 위하여 접근을 이용했습니다25-27.

이 지역에 있는 계속 연구는 nanostructures의 범위의 발달로 이끌어 냈습니다. 1개의 물자의 특히 흥미로운 종류에는 우세하게 무조직 Si O C nanodomains가 nanoscale SiC와 C 증강을 포함하는 있습니다. 가공, 구성 및 nanostructure에 더 중대한 통제를 제안하고 있는 동안 이 물자에는 고열 응용의 넓은 범위를 위한 요구한 특성이 있습니다. PDCs는 preceramic 중합체를 pyrolyzing 생성하고 아주 고열까지 전형적으로 무조직 이고 그러나 좋은 포복과 산화 저항과 같은 속성 세라믹 같이 아주 음모를 꾸미는 제공합니다28,29.

몇몇은의 그들의 유일한 속성 nanodomains의 제자리 대형 및 그들의 미세에 있는 결정 입자 경계의 부족과 연관됩니다. (thermoset) 선구자의 중합 본질 때문에, 물자의 이 계열은 쉽게 합성물을 위한 섬유, 매트릭스, 다공성 구조물 및 코팅으로 처리 가능합니다30,31. 최대량은 3명 주요 단으로 공부한 PDCs 분류될 수 있습니다: (i) 실리콘 탄화물 (SiC) (II) 실리콘 oxycarbides (SiOC)와 (iii) 실리콘은 carbonitrides (SiCN). SiOCs와 SiCNs는 Si O C 시스템을 위한 그림 7에서 개요로 설명되는 것과 같이 SiO2 와 SiC와 "자유로운"34 탄소의 추가 수준을 가진 SiC와 죄악 사이 그들의 잡종 분자 구성 특유한 때문이 각각.

Si O C 시스템에 있는 단계 관계의 숫자 7. 개략도

이 물자의 유일한 nanostructural 특징은 통제되는 과잉 탄소가 약간 nms의 도메인 규모를 가진 graphene 층으로 이산되다 입니다. 통제의, 그리고, 통합 실험 및 원자 시뮬레이션 접근을 사용하여 그 같은 nanostructural 특징의 발달의 이해는, 우리의 협조적인 연구의 초점입니다.

수신 확인

우리의 실험실에 있는 관련 연구 활동은 과학적인 연구 (프로그램 매니저의 저희 공기 군대 사무실에게서 지원에 의해 가능하게 했습니다: 가득 차있는 에너지의 박사 Joan), 저희 부, 및 저희 국제적인 과학 기초


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, 저작권 AZoNano.com Vikas Tomar (퍼듀 대학교) 교수

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

Last Update: 13. June 2013 23:23

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