Tieteelliset ja teknologiset uutiset

Materiaalit: enemmän hienostuneisuutta enemmän kovuutta ⚒️

Boorikarbidi on materiaali, joka yhdistää kovuuden, keveyden ja korkean lämpötilan kestävyyden, mutta se kestää huonosti iskuja. CNRS:n tutkijat ovat kehittäneet uuden synteesimenetelmän tälle materiaalille, joka on nanokristalleista valmistettua keramiikkaa ja joka tarjoaa vertaansa vailla olevaa kovuutta sekä poikkeuksellista iskunkestävyyttä.

Tulokset tarjoavat mahdollisuuksia monilla eri aloilla, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sekä ballistisessa suojauksessa.


Boorikarbidi (B₄C) keramiikkamuodossa, eli korkeassa lämpötilassa kypsennettävänä, on hyvin tunnettu keveydestään, äärimmäisten lämpötilojen kestävyydestään ja erinomaisista mekaanisista ominaisuuksistaan. Se on valinta moniin sovelluksiin, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, leikkuutyökaluissa tai ballistisissa suojissa.

Kuitenkin sen teollinen käyttö suuressa mittakaavassa on rajoitettua sen kovuuden vuoksi. Vaikka se on merkittävä, se ei ylitä superkovuuden rajaa (timantin, kuutioboorinitridin ja muiden booriin perustuvien materiaalien alue). Sen heikko mekaaninen kestävyys iskuja vastaan on myös ongelma: voimakkaan iskun seurauksena se amorfoituu (menettää kiteisen rakenteensa), mikä johtaa merkittävään suorituskyvyn heikkenemiseen.

On jo pitkään tiedetty, että jyvien koon pienentäminen nanometriseen mittakaavaan (5–50 nm) parantaa niiden mekaanisia ominaisuuksia. Itse asiassa jyvien koon pienentäminen lisää jyvien rajojen määrää, jotka vastustavat dislokaatioiden leviämistä mekaanisen rasituksen alla. Tämä johtaa materiaalin elastisuuden lisääntymiseen, ilmiö tunnetaan nimellä Hall-Petch -ilmiö.

Valitettavasti saatavilla olevat nanometriset boorikarbidi-jyvät olivat aiemmin kymmenen kertaa liian suuria tällaisten vaikutusten saavuttamiseksi. Siksi boorikarbidiin perustuvien keramiikoiden mekaanisten ominaisuuksien optimointi edellytti ensin näiden alle 50 nm kokoisten nanokristallien synteesiä. Tämän jälkeen oli välttämätöntä onnistua säilyttämään niiden koko niiden kokoamisessa keramiikoiksi.


Kaksinkertainen haaste, johon on tarttunut ryhmä tutkijoita Pariisin, Limogesin ja Lyonin laboratorioista.

Haihduttamalla korkeassa lämpötilassa natriumia natriumboorikarbidi-nanokristalleista, tutkijat onnistuivat muuttamaan ne boorikarbidi-nanokristalleiksi, joilla on kapea kokojakauma, joka on keskittynyt 10 nm:iin. Tämän boorikarbidi-nanopölyn tiivistäminen keramiikaksi toteutettiin sitten alkuperäisellä "Spark Plasma Sintering" -menetelmällä erittäin korkeissa paineissa, jonka tekijät ovat patentoineet.

Erittäin korkeiden paineiden (5 GPa) yhdistäminen ultra-nopeaan lämmitykseen mahdollistaa nopean tiivistämisen rajoittaen jyvien kasvua. Saadut nanorakenteiset keramiikat sisältävät jyviä, joiden koko on alle 20 nm. Tämä erityisyys, joka asettaa suuren määrän jyvien rajoja rakenteeseen, antaa materiaalille merkittävästi lisääntynyttä kovuutta (yli superkovuuden rajan 40 GPa) ja erittäin korkeaa iskunkestävyyttä.

Tämä uusi nanorakenteinen superkova boorikarbidi, joka on kuvattu lehdessä ACS Nano, voisi löytää sovelluksia aloilla, joilla mekaaniset ominaisuudet ovat olennaisia, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, leikkuutyökaluissa, ballistisissa suojissa tai ydinvoimassa.

Kirjoittaja: CCdM

Viite:
Transforming Nanocrystals into Superhard Boron Carbide Nanostructures
ACS Nano 2024
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08599