Sintring af atomisk tynde materialer med keramik nu muligt

For første gang, forskere har skabt en nanokomposit af keramik og et todimensionelt materiale, åbne døren for nye designs af nanokompositter med applikationer som solid-state batterier, termoelektrisk, varistorer, katalysatorer, kemiske sensorer og meget mere.

Sintring bruger høj varme til at komprimere pulvermaterialer til en fast form. Udbredt i industrien, Keramiske pulvere komprimeres typisk ved temperaturer på 1472 grader Fahrenheit eller højere. Mange lavdimensionelle materialer kan ikke overleve ved disse temperaturer.

Men en sintringsproces udviklet af et team af forskere ved Penn State, kaldet kold sintringsproces (CSP), kan sintre keramik ved meget lavere temperaturer, mindre end 572 grader F, spare energi og muliggøre en ny form for materiale med et højt kommercielt potentiale.

"Vi har branchefolk, der allerede er meget interesserede i dette arbejde, " sagde Jing Guo, en post-doc stipendiat, der arbejder i gruppen af ​​Clive Randall, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "De er interesserede i at udvikle nogle nye materialeapplikationer med dette system og, generelt, bruger CSP til at sintre nanokompositter." Guo er første medforfatter på avisen, der vises online i Avancerede materialer .

Ideen om at forsøge at udvikle et keramisk-2-D-kompositsystem var resultatet af en National Science Foundation-workshop om fremtiden for keramik, arrangeret af Lynnette Madsen, der tiltrak 50 af de bedste keramiske videnskabsmænd i USA Yury Gogotsi, en Charles T. og Ruth M. Bach Distinguished University Professor og direktør for A.J. Drexel Nanomaterials Institute, ved Drexel University, hørte Randalls præsentation om kold sintring og foreslog et samarbejde om at udvikle en keramisk komposit ved hjælp af en ny klasse af todimensionelle materialer, kaldet MXenes, opdaget af Gogotsi og hans samarbejdspartnere på Drexel. MXener er hårdmetal- og nitridplader et par atomer tynde, der besidder ekstrem styrke. Mange af dem er fremragende metalliske ledere.

Selvom det har været kendt, at blanding af selv en meget lille mængde 2-D materialer, såsom grafen, til en keramik kan dramatisk ændre dens egenskaber, MXene har aldrig været brugt i keramiske kompositter. I dette arbejde, Guo og Benjamin Legum, Gogotsis doktorand, blandet 0,5 til 5,0 procent MXen i et velkendt keramisk system kaldet zinkoxid. Den metalliske MXene belagte det keramiske pulver og dannede kontinuerlige todimensionale korngrænser, hvilket forhindrede kornvækst, øget ledningsevnen med to størrelsesordener, omdannelse af halvledende zinkoxid til en metallisk keramik, og fordoblet hårdhed af slutproduktet. Tilsætningen af ​​MXene forbedrede også zinkoxids evne til at omdanne varme til elektricitet.

"Ben kom her ret ofte for at arbejde med Jing, og med tiden overvandt de alle de problemer, der var forbundet med at sprede 2-D MXenerne ind i zinkoxidet og derefter sintre det, " sagde Randall. "Dette åbner en helt ny verden, der inkorporerer 2-D materialer i keramik."

Gogotsi tilføjede, "Dette er den første keramiske komposit, der indeholder MXene. I betragtning af, at omkring tredive MXener med forskellige egenskaber allerede er tilgængelige, vi åbner et nyt kapitel i forskning om keramiske matrixkompositter, med potentielle applikationer lige fra elektronik til batterier og termoelektrisk. "

Guo og Legum er co-første forfattere på papiret "Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zink Oxide."