Brug af zirconium som tilsætningsstof i superstærke kompositmaterialer

Keramiske matrix-kompositter (CMC'er) er utroligt stærke materialer, der bruges i jetmotorer, gasturbiner, og skærende værktøjer til nikkel superlegeringer. Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) er hård og kemisk inert, og wolframcarbid (WC) bruges som et superhårdt materiale, men tidligere bestræbelser på at skabe en Al ₂ O ₃ -WC CMC gav utilfredsstillende resultater. For nylig, en undersøgelse foretaget af japanske videnskabsmænd, udgivet i Videnskabelige rapporter , viser, at tilføjelse af zirconiumatomer resulterer i forbedret Al ₂ O ₃ -WC CMC'er.

I betragtning af den potentielle nytte af Al ₂ O ₃ -WC CMC'er som superhårde materialer, forskere over hele verden har testet flere formuleringer for at identificere en med en høj bøjningsstyrke, som er et mål for den fysiske belastning et materiale kan blive udsat for, før det bliver permanent bøjet eller knækket. Tidligere, ingen gruppe havde udviklet en Al ₂ O ₃ -WC CMC med en bøjningsstyrke større end 1 gigapascal, hvilket betød, at de tidligere Al ₂ O ₃ -WC CMC'er kunne ikke overgå de eksisterende CMC-materialer. I et forsøg på at opnå en større bøjningsstyrke, det førnævnte hold af videnskabsmænd fra Japan udførte en undersøgelse, som blev ledet af forskere fra Nagoya University, i samarbejde med NGK Spark Plug Co., Ltd. I deres undersøgelse, forskerne eksperimenterede med at tilføje små mængder zirconiumdioxid (ZrO ₂ ) under oprettelsen af ​​Al ₂ O ₃ -WC CMC'er. Denne tilføjelse gav "superhård" Al ₂ O ₃ -WC CMC'er med bøjningsstyrker større end 2 gigapascal. Som ledende efterforskere Dr. Tomohiro Nishi og Dr. Katsuyuki Matsunaga bemærker, "Dette er et all-time high i feltet."

Især efterforskerne opnåede disse betydelige bøjningsstyrkeforbedringer med en relativt beskeden tilsætning af ZrO2. Additivet repræsenterede mindre end 5 % af massen af ​​det færdige Al ₂ O ₃ -WC CMC'er, hvilket er mindre end mængden af ​​additiv, der normalt er til stede i additivforstærkede CMC'er. Da efterforskerne studerede strukturerne af deres superhårde ZrO2-forstærkede Al ₂ O ₃ -WC CMC'er ved hjælp af en metode kaldet atomopløsning scanning transmission elektronmikroskopi, de fandt ud af, at Zr-atomerne var placeret i tynde lag mellem ark af Al ₂ O ₃ og toilet. Med hensyn til grænsefladerne mellem Al ₂ O ₃ og toiletplader, Dr. Nishi og Dr. Matsunaga angiver, "Sådanne grænseflader er generelt svage punkter med hensyn til mekaniske egenskaber." Derfor, grænsefladen mellem arkene er et plausibelt sted for Zr-atomer til at udøve effekter, der styrker Al ₂ O ₃ -WC CMC'er. Ja, da efterforskerne modellerede virkningerne af Zr-atomerne ved hjælp af teknikker fra et felt af matematisk fysik kendt som tæthedsfunktionel teori, deres resultater indikerede, at et grænsefladelag af Zr-atomer ville øge stabiliteten af ​​deres CMC'er.

Efterforskerne forudser en lys fremtid for deres nye CMC'er. Kommenterer deres potentielle anvendelser, Dr. Matsunaga udtaler, "De materialer, vi udviklede, kan bruges som superhårde materialer i metalbearbejdningsanordninger til skæring af hårde metalliske komponenter, der skal bruges i fly og biler." Faktisk, de bemærker, at ingeniører hos NGK Spark Plug Co. allerede har kommercialiseret materialerne som komponenter i skærende værktøjer.

Oprettelsen af ​​disse forbedrede Al ₂ O ₃ -WC CMC'er tjener som et eksempel på de betydelige forbedringer i fysiske egenskaber, der kan opnås med relativt små tilføjelser til et materiale.

Papiret, "Avancerede superhårde kompositmaterialer med ekstremt forbedret mekanisk styrke ved grænsefladeadskillelse af fortyndede dopingmidler, " blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter den 3. december, 2020.