Enkel og billig revneheling af keramikbaserede kompositter

Et team af forskere ved Osaka University påviste, at revner induceret i kompositter bestående af aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) keramik og titanium (Ti) som dispergeret fase kunne heles ved stuetemperatur, en verdensnyhed. Denne keramiske helingsmetode tillader revneheling selv i en tilstand, hvor keramiske dele er monteret på enheder til en lav pris og uden brug af komplicerede højtemperatur-varmebehandlingsprocesser, der kræver betydelige mængder energi.

Selvom forskellige typer metal-keramiske kompositter er blevet forsket og udviklet, deres kombination og fine strukturer var begrænset på grund af forskelle i keramik-til-metal bindingstyper, kemisk reaktivitet, og partikelstørrelsen af ​​kommercielt tilgængeligt metalpulver.

Dette team overvandt disse restriktioner ved at optimere synteseprocesser og sintringsprocesser. I 2018, de producerede Al ₂ O ₃ /Ti-kompositter med en perkolationsstruktur ved at kontrollere indholdet af tilsat Ti og optimere partikelstørrelsen af ​​metallisk Ti-pulver og sintringsprocesser, forbedring af brudsejhed og elektrisk ledningsevne af Al ₂ O ₃ /Ti kompositter. (Osaka University pressemeddelelse, 28. november 2018)

I dette studie, forskerne viste, at elektrokemisk anodisering fandt sted i Al ₂ O ₃ /Ti kompositter. Ud over, de udviklede en helingsmetode ved stuetemperatur til at helbrede revner induceret i Al ₂ O ₃ /Ti-kompositter ved at bruge anodiseringsfænomenet uden varmebehandling, genskabe styrken af ​​kompositterne til deres oprindelige niveau, en verdensnyhed. Resultaterne af denne undersøgelse blev offentliggjort i Journal of American Ceramic Society .

For at helbrede keramik, revneheling ved kemisk reaktion (selvhelbredende evne) er blevet undersøgt, men en højtemperaturbehandling på 1, 000 ℃ eller højere var nødvendigt for at forårsage en kemisk reaktion og/eller en diffusionsreaktion, såkaldt re-sintring.

I øvrigt, fordi revnereparationsmetoder ved brug af harpiksklæbemiddel (f.eks. epoxyharpiks) eller keramisk cement havde en grænse i vedhæftningen mellem keramik og harpiks eller keramisk cement, det var vanskeligt fuldt ud at genoprette brudstyrken til dets oprindelige niveau.

I dette studie, forskerne opnåede høj elektrisk ledningsevne ved homogent at sprede Ti, demonstrerer stuetemperatur revneheling i Al ₂ O ₃ /Ti kompositter ved anodisering uden varmebehandling og fuld genvinding af brudstyrke til dets oprindelige niveau for første gang i verden.

I eksperimenter med kompositter, hvis brudstyrke blev sænket på grund af indførte revner (graf i figur 1), de demonstrerede:

1. Brudstyrken blev gendannet til dets oprindelige niveau gennem anodisering, og
2. Genvindingen skyldtes titaniumoxider dannet på overfladen af ​​dispergeret titanium ved anodisk oxidation, som slog bro over revnede overflader og fyldte revnen, reducerer stresskoncentrationen på revnespidsen.

Senior forfatter Tohru Sekino siger, "Resultaterne af vores undersøgelse kan også anvendes på andre keramikbaserede kompositsystemer end Al ₂ O ₃ /Ti-kompositter som en ny revnehelende metode til keramik, og en teknik til at sikre pålideligheden af ​​selve keramikken. Al ₂ O ₃ /Ti-kompositter vil blive udviklet til multitasking-materialer, der giver mulighed for flere funktioner og applikationer i henhold til deres formål og anvendelse."