Nanocomposite 陶瓷 - 什么是 Nanocomposite 陶瓷?

Vikas Tomar,航空学和航天学普渡大学学校教授
对应的作者: tomar@purdue.edu

在过去半世纪陶瓷在为金属是太严重的高贷款利率、高温、穿戴和化学攻击的情况下受到了重大的注意,因为候选人材料为使用,因为结构上的材料。 然而,陶瓷的内在的易碎性防止了他们的宽使用用不同的应用。

重大的科学工作成绩将做陶瓷更加缺点宽容的通过设计指向他们的微结构由跨接高明的表面在这个高明的技巧后纤维或颊须的并网; 通过设计与作为在高明的表面之间的桥梁在这个高明的技巧后的瘦长的谷物的微结构; 通过合并偏转做它的这个精锐部队移动一个更加弯曲的路径的第二个阶段微粒; 并且通过合并进行减轻压力的体积膨胀一起强制高明的表面的附属阶段。 然而,一个新发展是多个阶段的配电器在陶瓷综合的在 nanoscopic 长度缩放比例。 由于 nanoscopic 功能的流行,这样综合指陶瓷 nanocomposites。

nanocomposite 材料的定义显著变宽包含系统一个大种类例如一维,二维,三维和无定形的材料,由显然地不相似的要素做成和混合在毫微米缩放比例。 nanocomposite 有机/无机材料通用选件类是迅速发展的研究领域。 减少结构上的功能的范围在材料的导致在表面/界面原子的部分的显著地增加。

表面/界面能源根本控制固体的属性。 界面提供方法引入在材料的非同质性。 此非同质性作为综合的热量和机械性能的重大的修改。 有选择性混合在高度被剪裁的形态学的材料与界面区的高百分比,导致与改进的属性的材料。

纳诺综合材料属性取决于不仅他们各自的父项属性,而且他们的形态学和界面的特性。 nanocomposites 查找他们的使用以多种应用由于在属性的改善在简单的结构。 少量的这样好处可以被总结如下:

  • 即被改进的机械性能力量、模数和尺寸恒定性
  • 对气体、水和碳氢化合物的减少的渗透性
  • 更高的耐热性和热畸变温度
  • 更高的火焰阻滞性和减少的黑烟排放
  • 更高的化学稳定性
  • 更加平稳的表面外观
  • 更高的电导率

对于用于汽轮机引擎的要素, 10000 h 的寿命和 ~300 MPa 保留的力量在温度 1400 °C 与微不足道的蠕动费率一起被假设了。 此外,在高温,材料必须陈列高电阻到热冲击、氧化作用和亚临界裂纹发展。 陶瓷 nanocomposites 证明是非常重要的为这样将来的应用。

可能承受高温的先进的疏松陶瓷合成材料 (>1500 没有降低或氧化作用的 °C) 可能为应用也使用例如马达引擎,催化作用的热交换器,核电站和燃烧系统的结构上的零件,除他们的使用以外在常规能源转换能源厂。 这些困难,高温稳定、氧化作用抗性陶瓷综合和涂层为航空器和航天器应用也是受欢迎的。

在综合,碳化硅/氮化硅 (SiC/罪孽) 综合此选件类的一个这样物质34系统,显示在高温氧化的情况下很好执行。 兴趣在这样 nanocomposites 上从通过埋置毫微米2 在更大的谷物内矩阵的范围 Niihara 的实验开始了 (20-300 毫微米) 微粒报告大改善在破裂韧性和材料力量和在晶界。 在力量和破裂韧性的 200% 改善,力量的更好的留成在高温和更好的蠕动属性被观察了。

一个先进的 nanocomposite 微结构例如那多晶的碳化硅 (SiC) - 氮化硅 (Si3N4) nanocomposites,图 1,包含与 50 毫微米 (GB)等级的晶界厚度的多倍字长的缩放比例, 0.8 到 1.5 µm 等级的 200-300 毫微米和罪孽34 粒度等级的 SiC 微粒大小1。 设计这样综合 (和相似其他的微结构例如锡罪孽34、 SiC AlO23、 SiC Sic、 Graphene/CNT+SiC 和碳 Fiber+SiC nanocomposites) 被瞄准的套的有形资产是,因此,一项艰巨的任务。 因为这个微结构介入多倍字长的缩放比例, multiscale 分析基本材料设计是这样任务的一个适当的途径。

图 1. 实际微结构 SicSi3N4 nanocomposite1

陶瓷 nanocomposite 工作在 Purdue 重点的 Multiphysics 实验室在 (1) 碳化物了解的性能和氮化物根据在发电循环找到的极其环境的高温陶瓷 Nanocomposites 包括核应用, (2) Multiscale 在氧化物陶瓷材料的塑造和描述特性和 (3) 了解的热量传导和热量问题在材料热电发电的。 主要兴趣范围的说明和摊缴是如下:

  • 开发与低导热性的材料的了解的热量传导和热量问题3-5: 此工作着重了解 nanocomposites 的运算原子论结构热电发电的这样与低导热性的材料可能被开发。 使用分子动力学的明确分子模拟 (MD)进行知道形态学改变如何可以用于减少在 nanocomposites 的导热性。 我们找到可能达到对热量传导的重大的减少的某些 biomimetic 排列。 我们是在做和测试这样材料过程中。
  • 碳化物和氮化物了解的性能根据极其环境的高温陶瓷 Nanocomposites 包括核应用6-12: 此研究工作着重室温了解的结构和先进的可能启用能源厂运算在温度超出 1750 导致效率差不多 70% 和对工厂放射的重大的减少的 K 的 nanocomposite 陶瓷材料高温运算。 作为旁枝,此项目也着重这些材料热量属性为可能的使用作为高温多功能材料、高温结构上的材料在核应用或热传感器在核应用。
  • 在氧化物陶瓷材料的 Multiscale 塑造和描述特性13-18: 在此工作期间的重点在先进的合成材料了解的 multiscale 热机的工作情况例如多功能 Al+FeO23 nanocrystalline 综合和高强度 AlO23/TiB2 陶瓷装甲综合。 对对使用 MD 的 Al+FeO 多功能 nanocomposites 的原子论23 变形分析的此研究是一个第一在对先进的陶瓷综合 nanomaterials 的原子论变形分析区。 在 nanocrystalline Al+FeO 多功能综合的此工作大规模 MD23 模拟,唯一水晶 Al,唯一水晶 FeO23 和唯一水晶 Al 和 FeO 的多种界面的配置23 执行。 一旦 AlO23/TiB2 陶瓷装甲综合,我们为动态破裂的定量描述特性开发了并且使用了 (CFEM)一个新的粘着的有限元法。

上述摊缴在一个合作 multiscale 塑造材料设计实验处理途径基础上严格。 下面提供整体合作研究途径的快照在塑造,设计和制造高亮度显示的。

Multiscale 塑造陶瓷 Nanocomposites : 工作的示例在 SiC 罪孽34 陶瓷 Nanocomposites 的

在 CFEM 和 MD 基于技术基础上的组合 (在毫微米和测微表长度和时间表) 的我们的 multiscale 分析表示高强度和相对地小型 SiC 微粒作为导致晶粒间的34 罪孽矩阵的罪孽矩阵的应力集中34 站点崩裂作为一种统治失败形式。 CFEM 分析也表示由于是纳诺尺寸 SiC 的微粒的一个重大的编号存在微型尺寸罪孽34 矩阵, SiC 微粒不变式在导致重大的机械力量的微裂纹的苏醒地区落。 查找的这在表示的 MD 分析被确认了成群沿 GBs 的微粒极大增加这些 nanocomposites 力量。 当那些 nanocomposite 形态学尖锐定义了 SiC 罪孽34 界面时19,其他 nanocomposite 形态学有 C、 N 或者 Si 原子扩散在界面20

一旦 SiC 罪孽34 nanocomposites, MD 分析也表示第二个阶段微粒作为重大强调养殖者一旦极大影响34 力量的唯一水晶罪孽阶段矩阵。 然而,微粒的存在没有对 bicrystalline 或 nanocrystalline 罪孽阶段矩阵机械力量的重大的34 作用。 SiC 罪孽 nanocomposite 结构的34 力量显示了这个晶界厚度和温度之间的 (GB)不典型的相关性。

力量显示了与增量的减少在有的结构的温度厚实的 GBs 有 C、 N 或者 Si 原子扩散。 然而,为没有看得出的 GB 厚度 (C、 N 或者 Si 原子没有扩散的结构),由于在 SiC 罪孽界面的力量的微粒成群34 和增量与温度,力量改善了与在温度的增量。 图 2 在使用 CFEM 获得的这样 nanocomposites 显示破裂传送分析快照。

图 2. mesoscale 裂纹扩展和故障传送快照在罪孽34 nanocomposites

图 3 使用 MD 得到的显示快照。 当前研究工作着重得到合作者开发的陶瓷 nanocomposites 的实验图象,开发在这样图象的 nanoscale CFEM 滤网和执行故障分析使用 MD 和 CFEM 技术的组合。

图 3. 原子论故障和故障传送快照在二在二个不同温度的不同 SiC (34 微粒) 的和罪孽 (矩阵) nanocomposites。

计算基本材料设计的 Petascale

在 nanoscale 的原子论分析可能给予关于重要功能的作用的重要信息例如一 GB、界面或者一个三次连接点等等对一个小的 nanoscale (少量的 ~ nm) 范例的机械变形工作情况。 在 multiscale 塑造这样信息用于公式化一个物质范例的了解的微结构从属的变形工作情况的大规模 (>few µm) 物质设计例如在图显示的那个 1。

微结构属性关系适当的数学模型准许与关键材料象体积分数、颗粒大小和阶段构成的微结构参数涉及象破裂韧性、强度极限,疲劳寿命等的性能。 因为一个典型的 nanoscale 测试范例是更小的和从属于对在一个典型的微结构的各种各样的周围 (即图 1), nanoscale 信息的并网在大规模设计的从属于对统计不确定性。

如果一个复杂微结构将为被瞄准的套属性设计,是重要的这样不确定性在稳健物质设计范围内正确地被定量并且合并。 我们在 Notre Dame 大学作早期工作在可能合并物质工作情况分析在设计最优化结构的多倍字长的缩放比例一个可变的保真度设计21-24管理结构的发展, (与约翰赫诺・塞尚教授的组的协作)。

图 4 详细资料一个 petascale 多物理设计管理工具的流程为 multiscale 物质设计的。 部署在 petascale 设备,在此研究开发的设计工具,集成原子论,并且使用可变的保真度的 mesoscale 分析塑造管理结构,在 nanomaterials 的开发费用和时间内将实现重大的减少与在各自的合成材料阶段的可能的不同的组合的一个同时增量完成期望物质性能。

模型管理结构21,22,除管理设计和缩放比例以外,也是非常合适的控制分层结构并行性。 这个自然层次结构是在 CFEM 内的 MD 在设计内在不确定性下,使用一个混杂的编程的设计 SHMEMTM 由 CFEM 和 MPI 的 SGI MD 和不确定性塑造的。 MD 和不确定性量化 (通过类似的 Monte 克罗综合化) 可能使用 1000 个处理器和 CFEM 10,因此第1000组不确定性量化 10 个 CFEM 组 1000 个 HMC 处理器是 10 个7 处理器,临近 exascale。

图 4. 概要 Petascale 物质设计结构

对这个模型系统的初步的物质设计分析执行了解一定是受控的为最佳的被瞄准的套属性的形态学涉及的参数。 设计工具的应用着重持续纤维陶瓷综合 (CFCCs)设计 SiC 罪孽34 nanocomposites,图 5。 第二个阶段 (圈子和磁道) 比那是有更高的弹性模数和更高的抗蠕变力 (e),但是更低的屈服应力并且破裂韧性的 SiC 纤维,主要罪孽34 阶段。 这个问题将设计最适当的 CFCC,与最大力量和抗蠕变力一套的外部温度 T,设计变量的数量将取决于模拟测试是否在二维 (第 2) 或三维的 (三维) 设计进行。 在 nanocomposite 设计最优化问题将考虑的设计变量,第 2 个设计的,是纤维直径 (d) 和这个外部温度 (t)。 并且为这个三维设计将考虑的设计变量是纤维直径 (d),纤维 (l) 的长度和这个外部温度 (t)。 以标准表单如下产生问题定义:

图 5. 到处保真度为 CFCC nanocomposites 塑造

图 6 说明力量和蠕动变形率的正常化的 (0-100) 功能值作为高保真度的设计 (三维) 和低保真度设计的 (第 2) 设计变量功能。 图 6 () 显示在 CFCC 力量的一个增量和在蠕动变形率的对应的减少,当这个设计可变的 d 增加。 同样为这个高保真度的设计,图 6 (正确) 显示在 CFCC 力量的一个增量和在蠕动变形率的对应的减少,当设计变量 dl 增加。

图 6. () 力量和蠕动变形率以作为设计可变的宽度高度 (d) 功能的 1500oC 第 2 个低保真度设计的。 (正确的) 力量和蠕动变形率以作为设计变量纤维功能 (l) 的宽度高度 (d) 和长度的 1500°C 三维高保真度的设计的。

制造

在此活动期间的重点在形成被瞄准的套的复杂陶瓷 nanocomposites 机械和非碎屑的属性可能导致的一个合作塑造俯就处理结构,无需浪费重大的累试法时间和货币。 我们与 Rajendra K Bordia 教授的组合作在华盛顿西雅图大学。 聚合物派生的陶瓷 (PDCs)是做物质设计预测的形态学的一个有吸引力的途径陶瓷 nanocomposites。 第一 Niihara 和他的工友其他然后使用此途径做高性能 nanoscale 被加强的综合25-27

持续的研究在此区导致了 nanostructures 的范围的发展。 材料特殊一有趣选件类有主要地无定形的 SiO C nanodomains 包含 nanoscale SiC 和 C 增强。 这些材料有各种各样的高温应用的期望特性,当提供对处理,构成和 nanostructure 时的更加巨大的控制。 PDCs 是通过 pyrolyzing preceramic 聚合物生产的并且是典型地无定形的至非常高温,但是提供非常迷人的象陶瓷的属性,例如好蠕动和抗氧化28,29

他们的一些唯一属性与 nanodomains 的原地形成和缺乏在他们的微结构的晶界相关。 由于聚合物本质 (热固) 的前体,材料此系列容易地是可处理的作为纤维、矩阵综合的,多孔结构和涂层30,31。 多数被学习的 PDCs 可以分类到三个主群: (i) 碳化硅 (SiC) (ii) 硅 oxycarbides (SiOC) 和 (iii) 硅氰化 (SiCN)。 SiOCs 和 SiCNs 特别归结于他们的杂种分子构成在 SiO2 和 SiC 之间和在 SiC 和罪孽之间34,分别与 “自由”碳的另外的级别如概要地说明在图 7 SiO C 系统的。

图 7. 阶段关系概要在 SiO C 系统的

这些材料一个唯一 nanostructural 功能是受控超额碳被分散作为与一些 nms 的域范围的 graphene 层。 控制和了解发展的这样 nanostructural 功能,使用一个集成实验和原子论模拟途径,是我们的合作研究焦点。

鸣谢

相关研究工作在我们的实验室由技术支持使成为可能由科学研究 (程序管理器我们航空强制办公室: 基础博士更加充分的霍安),能源的我们部门和我们国家科学


参考

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版权 AZoNano.com, Vikas Tomar (普渡大学) 教授

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

Last Update: 13. June 2013 22:59

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