Nanocomposite 陶瓷 - 什麼是 Nanocomposite 陶瓷?

Vikas Tomar,航空學和航天學普渡大學學校教授
對應的作者: tomar@purdue.edu

在過去半世紀陶瓷在為金屬是太嚴重的高貸款利率、高溫、穿戴和化學攻擊的情況下受到了重大的注意,因為候選人材料為使用,因為結構上的材料。 然而,陶瓷的內在的易碎性防止了他們的寬使用用不同的應用。

重大的科學工作成績將做陶瓷更加缺點寬容的通過設計指向他們的微結構由跨接高明的表面在這個高明的技巧後纖維或頰鬚的並網; 通過設計與作為在高明的表面之間的橋梁在這個高明的技巧後的瘦長的穀物的微結構; 通過合併偏轉做它的這個精銳部隊移動一個更加彎曲的路徑的第二個階段微粒; 并且通過合併進行減輕壓力的體積膨脹一起強制高明的表面的附屬階段。 然而,一个新發展是多個階段的配電器在陶瓷綜合的在 nanoscopic 長度縮放比例。 由於 nanoscopic 功能的流行,這樣綜合指陶瓷 nanocomposites。

nanocomposite 材料的定義顯著變寬包含系統一個大種類例如一維,二維,三維和無定形的材料,由顯然地不相似的要素做成和混合在毫微米縮放比例。 nanocomposite 有機/無機材料通用選件類是迅速發展的研究領域。 減少結構上的功能的範圍在材料的導致在表面/界面原子的部分的顯著地增加。

表面/界面能源根本控制固體的屬性。 界面提供方法引入在材料的非同質性。 此非同質性作為綜合的熱量和機械性能的重大的修改。 有選擇性混合在高度被剪裁的形態學的材料與界面區的高百分比,導致與改進的屬性的材料。

納諾綜合材料屬性取決於不僅他們各自的父項屬性,而且他們的形態學和界面的特性。 nanocomposites 查找他們的使用以多種應用由於在屬性的改善在簡單的結構。 少量的這樣好處可以被總結如下:

  • 即被改進的機械性能力量、模數和尺寸恆定性
  • 對氣體、水和碳氫化合物的減少的滲透性
  • 更高的耐熱性和熱畸變溫度
  • 更高的火焰阻滯性和減少的黑煙排放
  • 更高的化學穩定性
  • 更加平穩的表面外觀
  • 更高的電導率

對於用於汽輪機引擎的要素, 10000 h 的壽命和 ~300 MPa 保留的力量在溫度 1400 °C 與微不足道的蠕動費率一起被假設了。 此外,在高溫,材料必須陳列高電阻到熱衝擊、氧化作用和亞臨界裂紋發展。 陶瓷 nanocomposites 證明是非常重要的為這樣將來的應用。

可能承受高溫的先進的疏鬆陶瓷合成材料 (>1500 沒有降低或氧化作用的 °C) 可能為應用也使用例如馬達引擎,催化作用的熱交換器,核電站和燃燒系統的結構上的零件,除他們的使用以外在常規能源轉換能源廠。 這些困難,高溫穩定、氧化作用抗性陶瓷綜合和塗層為航空器和航天器應用也是受歡迎的。

在綜合,碳化硅/氮化硅 (SiC/罪孽) 綜合此選件類的一個這樣物質34系統,顯示在高溫氧化的情況下很好執行。 興趣在這樣 nanocomposites 上從通過埋置毫微米2 在更大的穀物內矩陣的範圍 Niihara 的實驗開始了 (20-300 毫微米) 微粒報告大改善在破裂韌性和材料力量和在晶界。 在力量和破裂韌性的 200% 改善,力量的更好的留成在高溫和更好的蠕動屬性被觀察了。

一個先進的 nanocomposite 微結構例如那多晶的碳化硅 (SiC) - 氮化硅 (Si3N4) nanocomposites,圖 1,包含與 50 毫微米 (GB)等級的晶界厚度的多倍字長的縮放比例, 0.8 到 1.5 µm 等級的 200-300 毫微米和罪孽34 粒度等級的 SiC 微粒大小1。 設計這樣綜合 (和相似其他的微結構例如錫罪孽34、 SiC AlO23、 SiC Sic、 Graphene/CNT+SiC 和碳 Fiber+SiC nanocomposites) 被瞄準的套的有形資產是,因此,一項艱鉅的任務。 因為這個微結構介入多倍字長的縮放比例, multiscale 分析基本材料設計是這樣任務的一個適當的途徑。

圖 1. 實際微結構 SicSi3N4 nanocomposite1

陶瓷 nanocomposite 工作在 Purdue 重點的 Multiphysics 實驗室在 (1) 碳化物瞭解的性能和氮化物根據在發電循環找到的極其環境的高溫陶瓷 Nanocomposites 包括核應用, (2) Multiscale 在氧化物陶瓷材料的塑造和描述特性和 (3) 瞭解的熱量傳導和熱量問題在材料熱電發電的。 主要興趣範圍的說明和攤繳是如下:

  • 開發與低導熱性的材料的瞭解的熱量傳導和熱量問題3-5: 此工作著重瞭解 nanocomposites 的運算原子論結構熱電發電的這樣與低導熱性的材料可能被開發。 使用分子動力學的明確分子模擬 (MD)進行知道形態學改變如何可以用於減少在 nanocomposites 的導熱性。 我們找到可能達到對熱量傳導的重大的減少的某些 biomimetic 排列。 我們是在做和測試這樣材料過程中。
  • 碳化物和氮化物瞭解的性能根據極其環境的高溫陶瓷 Nanocomposites 包括核應用6-12: 此研究工作著重室溫瞭解的結構和先進的可能啟用能源廠運算在溫度超出 1750 導致效率差不多 70% 和對工廠放射的重大的減少的 K 的 nanocomposite 陶瓷材料高溫運算。 作為旁枝,此項目也著重這些材料熱量屬性為可能的使用作為高溫多功能材料、高溫結構上的材料在核應用或熱傳感器在核應用。
  • 在氧化物陶瓷材料的 Multiscale 塑造和描述特性13-18: 在此工作期間的重點在先進的合成材料瞭解的 multiscale 熱機的工作情況例如多功能 Al+FeO23 nanocrystalline 綜合和高強度 AlO23/TiB2 陶瓷裝甲綜合。 對對使用 MD 的 Al+FeO 多功能 nanocomposites 的原子論23 變形分析的此研究是一个第一在對先進的陶瓷綜合 nanomaterials 的原子論變形分析區。 在 nanocrystalline Al+FeO 多功能綜合的此工作大規模 MD23 模擬,唯一水晶 Al,唯一水晶 FeO23 和唯一水晶 Al 和 FeO 的多種界面的配置23 執行。 一旦 AlO23/TiB2 陶瓷裝甲綜合,我們為動態破裂的定量描述特性開發了并且使用了 (CFEM)一個新的粘著的有限元法。

上述攤繳在一個合作 multiscale 塑造材料設計實驗處理途徑基礎上嚴格。 下面提供整體合作研究途徑的快照在塑造,設計和製造高亮度顯示的。

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

在 CFEM 和 MD 基於技術基礎上的組合 (在毫微米和測微表長度和時間表) 的我們的 multiscale 分析表示高強度和相對地小型 SiC 微粒作為導致晶粒間的34 罪孽矩陣的罪孽矩陣的應力集中34 站點崩裂作為一種統治失敗形式。 CFEM 分析也表示由於是納諾尺寸 SiC 的微粒的一個重大的編號存在微型尺寸罪孽34 矩陣, SiC 微粒不變式在導致重大的機械力量的微裂紋的蘇醒地區落。 查找的這在表示的 MD 分析被確認了成群沿 GBs 的微粒極大增加這些 nanocomposites 力量。 當那些 nanocomposite 形態學尖銳定義了 SiC 罪孽34 界面時19,其他 nanocomposite 形態學有 C、 N 或者 Si 原子擴散在界面20

一旦 SiC 罪孽34 nanocomposites, MD 分析也表示第二個階段微粒作為重大強調養殖者一旦極大影響34 力量的唯一水晶罪孽階段矩陣。 然而,微粒的存在沒有對 bicrystalline 或 nanocrystalline 罪孽階段矩陣機械力量的重大的34 作用。 SiC 罪孽 nanocomposite 結構的34 力量顯示了這個晶界厚度和溫度之間的 (GB)不典型的相關性。

力量顯示了與增量的減少在有的結構的溫度厚實的 GBs 有 C、 N 或者 Si 原子擴散。 然而,為沒有看得出的 GB 厚度 (C、 N 或者 Si 原子沒有擴散的結構),由於在 SiC 罪孽界面的力量的微粒成群34 和增量與溫度,力量改善了與在溫度的增量。 圖 2 在使用 CFEM 獲得的這樣 nanocomposites 顯示破裂傳送分析快照。

圖 2. mesoscale 裂紋擴展和故障傳送快照在罪孽34 nanocomposites

圖 3 使用 MD 得到的顯示快照。 當前研究工作著重得到合作者開發的陶瓷 nanocomposites 的實驗圖像,開發在這樣圖像的 nanoscale CFEM 濾網和執行故障分析使用 MD 和 CFEM 技術的組合。

圖 3. 原子論故障和故障傳送快照在二在二個不同溫度的不同 SiC (34 微粒) 的和罪孽 (矩陣) nanocomposites。

計算基本材料設計的 Petascale

在 nanoscale 的原子論分析可能給予關於重要功能的作用的重要信息例如一 GB、界面或者一個三次連接點等等對一個小的 nanoscale (少量的 ~ nm) 範例的機械變形工作情況。 在 multiscale 塑造這樣信息用於公式化一個物質範例的瞭解的微結構從屬的變形工作情況的大規模 (>few µm) 物質設計例如在圖顯示的那個 1。

微結構屬性關係適當的數學模型准許與關鍵材料像體積分數、顆粒大小和階段構成的微結構參數涉及像破裂韌性、強度極限,疲勞壽命等的性能。 因為一個典型的 nanoscale 測試範例是更小的和從屬於對在一個典型的微結構的各種各樣的周圍 (即圖 1), nanoscale 信息的並網在大規模設計的從屬於對統計不確定性。

如果一個複雜微結構将為被瞄準的套屬性設計,是重要的這樣不確定性在穩健物質設計範圍內正確地被定量并且合併。 我們在 Notre Dame 大學作早期工作在可能合併物質工作情況分析在設計最優化結構的多倍字長的縮放比例一個可變的保真度設計21-24管理結構的發展, (與約翰赫諾・塞尚教授的組的協作)。

圖 4 詳細資料一個 petascale 多物理設計管理工具的流程為 multiscale 物質設計的。 部署在 petascale 設備,在此研究開發的設計工具,集成原子論,并且使用可變的保真度的 mesoscale 分析塑造管理結構,在 nanomaterials 的開發費用和時間內將實現重大的減少與在各自的合成材料階段的可能的不同的組合的一個同時增量完成期望物質性能。

模型管理結構21,22,除管理設計和縮放比例以外,也是非常合適的控制分層結構並行性。 這個自然層次結構是在 CFEM 內的 MD 在設計內在不確定性下,使用一個混雜的編程的設計 SHMEMTM 由 CFEM 和 MPI 的 SGI MD 和不確定性塑造的。 MD 和不確定性量化 (通過類似的 Monte 克羅綜合化) 可能使用 1000 個處理器和 CFEM 10,因此第1000組不確定性量化 10 個 CFEM 組 1000 個 HMC 處理器是 10 個7 處理器,臨近 exascale。

圖 4. 概要 Petascale 物質設計結構

對這個模型系統的初步的物質設計分析執行瞭解一定是受控的為最佳的被瞄準的套屬性的形態學涉及的參數。 設計工具的應用著重持續纖維陶瓷綜合 (CFCCs)設計 SiC 罪孽34 nanocomposites,圖 5。 第二個階段 (圈子和磁道) 比那是有更高的彈性模數和更高的抗蠕變力 (e),但是更低的屈服應力并且破裂韌性的 SiC 纖維,主要罪孽34 階段。 這個問題將設計最適當的 CFCC,與最大力量和抗蠕變力一套的外部溫度 T,設計變量的數量將取決於模擬測試是否在二維 (第 2) 或三維的 (三維) 設計進行。 在 nanocomposite 設計最優化問題將考慮的設計變量,第 2 個設計的,是纖維直徑 (d) 和這個外部溫度 (t)。 并且為這個三維設計將考慮的設計變量是纖維直徑 (d),纖維 (l) 的長度和這個外部溫度 (t)。 以標準表單如下產生問題定義:

圖 5. 到處保真度為 CFCC nanocomposites 塑造

圖 6 說明力量和蠕動變形率的正常化的 (0-100) 功能值作為高保真度的設計 (三維) 和低保真度設計的 (第 2) 設計變量功能。 圖 6 () 顯示在 CFCC 力量的一個增量和在蠕動變形率的對應的減少,當這個設計可變的 d 增加。 同樣為這個高保真度的設計,圖 6 (正確) 顯示在 CFCC 力量的一個增量和在蠕動變形率的對應的減少,當設計變量 dl 增加。

圖 6. () 力量和蠕動變形率以作為設計可變的寬度高度 (d) 功能的 1500oC 第 2 個低保真度設計的。 (正確的) 力量和蠕動變形率以作為設計變量纖維功能 (l) 的寬度高度 (d) 和長度的 1500°C 三維高保真度的設計的。

製造

在此活動期間的重點在形成被瞄準的套的複雜陶瓷 nanocomposites 機械和非碎屑的屬性可能導致的一個合作塑造俯就處理結構,无需浪費重大的累試法時間和貨幣。 我們與 Rajendra K Bordia 教授的組合作在華盛頓西雅圖大學。 聚合物派生的陶瓷 (PDCs)是做物質設計預測的形態學的一個有吸引力的途徑陶瓷 nanocomposites。 第一 Niihara 和他的工友其他然後使用此途徑做高性能 nanoscale 被加強的綜合25-27

持續的研究在此區導致了 nanostructures 的範圍的發展。 材料特殊一有趣選件類有主要地無定形的 SiO C nanodomains 包含 nanoscale SiC 和 C 增強。 這些材料有各種各樣的高溫應用的期望特性,當提供對處理,構成和 nanostructure 時的更加巨大的控制。 PDCs 是通過 pyrolyzing preceramic 聚合物生產的并且是典型地無定形的至非常高溫,但是提供非常迷人的像陶瓷的屬性,例如好蠕動和抗氧化28,29

他們的一些唯一屬性與 nanodomains 的原地形成和缺乏在他們的微結構的晶界相關。 由於聚合物本質 (熱固) 的前體,材料此系列容易地是可處理的作為纖維、矩陣綜合的,多孔結構和塗層30,31。 多數被學習的 PDCs 可以分類到三個主群: (i) 碳化硅 (SiC) (ii) 硅 oxycarbides (SiOC) 和 (iii) 硅氰化 (SiCN)。 SiOCs 和 SiCNs 特別歸結於他們的雜種分子構成在 SiO2 和 SiC 之間和在 SiC 和罪孽之間34,分別與 「自由」碳的另外的級別如概要地說明在圖 7 SiO C 系統的。

圖 7. 階段關係概要在 SiO C 系統的

這些材料一個唯一 nanostructural 功能是受控超額碳被分散作為與一些 nms 的域範圍的 graphene 層。 控制和瞭解發展的這樣 nanostructural 功能,使用一個集成實驗和原子論模擬途徑,是我們的合作研究焦點。

鳴謝

相關研究工作在我們的實驗室由技術支持使成為可能由科學研究 (程序管理器我們航空強制辦公室: 基礎博士更加充分的霍安),能源的我們部門和我們國家科學


參考

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版權 AZoNano.com, Vikas Tomar (普渡大學) 教授

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

Last Update: 13. June 2013 23:02

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