En hårdere ledende keramik til lavere omkostninger

Ved systematisk at forfine standardbehandlingsteknikker, A*STAR forskere har udviklet en billig metode til fremstilling af en elektrisk ledende aluminiumoxid keramisk komposit - et slidstærkt materiale, der bruges i mange industrielle applikationer.

Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) er et af de mest brugte råvarer. Den kan modstå temperaturer på over 2, 000 grader Celsius, og dens krystallinske form, kendt som korund, er et af verdens hårdeste naturligt forekommende materialer, kun næst efter diamant. Det er også meget billigt, og kan produceres i store mængder, så det er ikke så mærkeligt, at det har fundet vej til en lang række industrielle applikationer, fra fyldstoffer i maling, solcreme og kosmetik, til slibemidler, gasrensning, katalyse, avanceret filtrering, keramik og kompositmaterialer.

Aluminiumoxid er en fremragende elektrisk isolator. I nogle applikationer, imidlertid, såsom katalyse og avanceret filtrering, evnen til at elektrificere materialet kunne give betydelige fordele. For eksempel, i vandfiltrering, aluminiumoxid lover meget som en langtidsholdbar filtreringsmembran, der overgår konventionelle polymermembraner - men kun hvis membranen kan elektrificeres for at forhindre begroning.

Blanding af aluminiumoxid med ledende titaniumnitrid (TiN) er kendt for at give en ledende keramisk komposit, men har tidligere involveret dyre eller komplekse behandlingsteknikker. Wei Zhai og kolleger fra Singapore Institute of Manufacturing Technology har nu tilpasset standard industrielle behandlingsmetoder for at opnå et meget mere omkostningseffektivt resultat.

"Vi udviklede en ny behandlingsmetode til at fremstille elektrisk ledende Al ₂ O ₃ –TiN-kompositter ved at kombinere kuglefræsning og reaktiv sintring, som begge er typiske metoder til pulverbehandling, " forklarer Wei.

Hemmeligheden bag deres succes var at kugleforme pulvere af Al ₂ O ₃ og Ti, ikke TiN, og derefter opvarmning (sintring) af den dannede form under nitrogen for at give den endelige ledende komposit.

"Ti-pulver er meget mere duktilt end TiN, som gør det muligt at strække pulverpartiklerne i formalingsprocessen, " siger Wei. Hendes team fandt ud af, at formen af ​​Ti-partikler, og ikke deres startstørrelse, var den vigtigste faktor, der bestemmer mængden af ​​TiN, der er nødvendig for at opnå ledningsevne. "Dette reducerer mængden af ​​Ti, der er nødvendig for at opnå elektrisk ledningsevne, som vi forudsagde teoretisk."

Holdet var i stand til at producere en ledende komposit med så lidt som 15 procent TiN, og ved at bruge de mindste Ti-partikler, kunne forhindre mærkbar nedbrydning af materialets ønskede mekaniske egenskaber.