Forståelse af keramiske materialer mørtel kan afsløre måder at forbedre dem på

Når de fleste tænker på keramik, de forestiller sig måske deres yndlingskrus eller en urtepotte. Men moderne teknologi er fuld af avanceret keramik, fra silicium solpaneler til keramiske superledere og biomedicinske implantater.

Mange af disse avancerede polykrystallinske keramik er kombinationer af krystallinske korn, som på mikroskopisk niveau, ligne et stengærde holdt sammen med kalkstensmørtel. Som det hegn, styrken af ​​keramikken bestemmes af mørtlens styrke - som i keramik er korngrænsen, eller de områder, hvor de forskellige korn mødes.

Tidligere, de fleste forskere mente, at kemien af ​​disse korngrænser i keramik var meget stabil. Men en ny undersøgelse foretaget af materialevidenskabelige ingeniører ved University of Wisconsin-Madison viser, at det ikke er tilfældet. Faktisk, i det vigtige keramiske materiale siliciumcarbid, kulstofatomer samles ved disse korngrænser, når materialet udsættes for stråling. Fundet kan hjælpe ingeniører til bedre at forstå egenskaberne af keramik og kunne hjælpe med at finjustere en ny generation af keramiske materialer.

Detaljerne om undersøgelsen vises i dag i tidsskriftet Naturmaterialer .

Siden 1970'erne, forskere har været opmærksomme på lignende strålingsinduceret segregation i metallegeringer. Fordi metalatomer deler elektroner frit, de er i stand til at blande og fjerne let. Når de bliver bombarderet af ionstråling, nogle af atomerne i metallerne vil springe ud af deres plads og bevæge sig mod korngrænserne, og hvis forskellige typer atomer bevæger sig med forskellig hastighed, legeringens kemi kan ændres.

Atomer i keramik er meget selektive med hensyn til, hvilke naboer de binder sig til, og bindingerne er meget stærkere end i metaller. Det er derfor, forskere troede, at disse atomer ikke var underlagt den samme type adskillelse. Men da Izabela Szlufarska, en professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison, begyndte at se nøje på korngrænserne for siliciumcarbid, det var ikke hvad hun fandt.

"I siliciumcarbid, silicium og kulstof ønsker virkelig at blive parret sammen; de ønsker at være 50 procent kulstof og 50 procent silicium, " hun siger.

Imidlertid, da hendes team kørte simuleringer og også afbildede korngrænserne, kulstofkoncentrationen var kun 45 procent ved grænserne. "Kemien var bare rigtig dårlig, " siger hun. "Det var den første overraskelse, da dette materiale virkelig ønsker at have ordnede atomer."

Dette antydede, at siliciumcarbid også kunne være modtagelig for strålingsinduceret segregation. Så Szlufarska og hendes team bombarderede stoffet med ionstråling, at finde, at mellem 300 grader Celsius og 600 grader Celsius, korngrænserne oplevede kulstofberigelse.

På disse energiniveauer, strålingen får nogle kulstofatomer til at springe ud af deres plads, skabe et par defekter i siliciumcarbidet, herunder et tomt sted kaldet en ledig plads og et løst carbonatom kaldet et interstitial. Disse ubundne interstitielle atomer migrerer til korngrænserne, hvor de akkumuleres, påvirker materialets kemi.

Udover det faktum, at forskere simpelthen ikke troede, at denne type adskillelse kunne finde sted i keramik, Szlufarska siger, at indtil for nylig, de manglede også redskaberne til selv at undersøge fænomenet. Efter omhyggelig fremstilling og klargøring af siliciumcarbid bi-krystallerne, state-of-the-art scanningstransmissionselektronmikroskopi udført på UW-Madison og Oak Ridge National Laboratory gjorde det muligt for holdet at løse den kemiske sammensætning langs korngrænserne.

Holdet mener, at fænomenet sandsynligvis også vil forekomme i andre polykrystallinske keramik. Processen er et tveægget sværd:På den ene side, strålingsinduceret adskillelse betyder, at keramik udsættes for de samme typer skader og forringelser ved deres korngrænser som metallegeringer, dog ved forskellige temperaturer. På den anden side, adskillelsen kan være nyttig i materialeteknik til fremstilling af specialiserede versioner af keramik som siliciumcarbid, som bruges i atomenergi, jetmotorer og andre højteknologiske applikationer.

"Måske kan strålingen bruges som et værktøj til at finjustere korngrænsekemien, " siger Xing Wang, studie medforfatter og en professor ved Pennsylvania State University, der arbejdede på forskningen, mens han fik sin doktorgrad ved UW-Madison. "Det kan være nyttigt for os i fremtiden."