Budowa wieloelementowej, współsegregowanej cery na granicy ziaren

Do tej pory naukowcy zajmujący się ceramiką opracowali różne strategie zapobiegające gruboziarnistości ziaren. Wykorzystanie proszku prekursorowego o wielkości nano może nie tylko ułatwić proces zagęszczania, ale także pozwala uzyskać ceramikę masową o zmniejszonej wielkości ziaren w porównaniu z proszkiem prekursorowym o wielkości mikronów.

Szybkie spiekanie omija etap dyfuzji powierzchniowej w niskiej temperaturze i poprzez szybkie nagrzewanie przechodzi bezpośrednio do etapu spiekania w wysokiej temperaturze, co czyni je skutecznym sposobem zapobiegania gruboziarnistości ziaren. Jednakże te wyżej wymienione strategie nie zapobiegają gruboziarnistości podczas nakładania nanoceramiki w środowiskach o średniej lub wysokiej temperaturze.

Wprowadzenie fazy wtórnej może również zwiększyć stabilność termiczną nanoziarn. Unieruchamiając granice ziaren (GB) i zmniejszając ich ruchliwość, faza wtórna skutecznie hamuje gruboziarnistość. Jednak osiągnięcie równomiernego rozkładu fazy wtórnej jest trudne, co może mieć szkodliwy wpływ na inne właściwości.

Wykazano, że segregacja substancji rozpuszczonych w GB zmniejsza energię GB i osłabia siłę napędową wzrostu ziarna. Niemniej jednak w większości zgłoszonych badań badano jedynie dodanie jednego lub dwóch rodzajów atomów substancji rozpuszczonej, ograniczając zakres redukcji energii GB. Dlatego potrzebne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć i wykorzystać potencjał segregacji substancji rozpuszczonych jako strategii.

Niedawno zespół naukowców zajmujących się materiałami pod kierownictwem Le Fu z Central South University w Chinach zaproponował skuteczną strategię hamowania gruboziarnistości ziaren poprzez konstruowanie kompleksów GB z wieloma współsegregowanymi domieszkami. Zespół opublikował swoją pracę w Journal of zaawansowanej ceramiki 28 marca 2024 r.

Aby wykazać wykonalność strategii, do ZrO dodano wiele wybranych domieszek₂-SiO₂ nanokrystaliczna ceramika szklana (NCGC) tworząca cerę GB. Scharakteryzowano mikrostrukturę cer GB z wieloma współsegregowanymi domieszkami. W międzyczasie omówiono podstawowe mechanizmy wpływu cery GB na hamowanie zgrubienia.

W tym raporcie badacze mieli na celu skonstruowanie wieloelementowej, współsegregowanej cery GB. Pierwszą i zarazem najważniejszą kwestią jest dobór domieszek. Udowodniono, że na segregację GB duży wpływ ma promień jonowy i stan wartościowości zarówno kationów domieszki, jak i kationu gospodarza. W przypadku jonów domieszki, które mają duże niedopasowanie promienia jonowego (ε) z gospodarzem Zr⁺⁴ jonów (84,0 pm), zostałyby wypchnięte do GB, zamiast rozpuszczać się w ZrO₂ kraty.

Ponadto ZrO₂ GB są naładowane dodatnio, a jony domieszki o stanach wartościowości niższych niż +4 mogą tworzyć ujemną chmurę ładunku kosmicznego w GB, co może również zwiększać tendencję jonów domieszki do segregacji GB. Biorąc pod uwagę powyższe dwa kryteria, badacze wyselekcjonowali pięć jonów domieszki, tj. Cs⁺Ba⁺²Ł⁺³Kalifornia⁺²Al⁺³ jony. Wszyscy mieli duże ε z gospodarzem Zr⁺⁴ jon, a ich stany wartościowości były niższe niż +4.

Zatem teoretycznie powinny one współsegregować przy ZrO₂ GBs.” powiedział Fu, profesor nadzwyczajny w Szkole Nauki o Materiałach i Inżynierii na Central South University (Chiny), ekspert, którego zainteresowania badawcze skupiają się na dziedzinie ceramiki.

„Scharakteryzowaliśmy cerę GB technikami TEM i odkryliśmy, że elementy Y, Ca, Ba i La wykazywały znaczną segregację w cerze GB o grubości 2,5 nm. W międzyczasie na cerze GB utworzyły się prążki siatkowe, co wskazuje, że GB Ponadto uzyskaliśmy także pełną rekonstrukcję 3D cery GB w skali atomowej za pomocą tomografii z sondą atomową (APT), co znacząco poprawiło naszą wiedzę na temat mikrostruktury 3D cery GB” – powiedział Fu.

„Aby zbadać wpływ cery GB na zachowania ZrO w zakresie gruboziarnistości ziaren₂ NC, wieloelementowy domieszkowany i niedomieszkowany 65% ​​ZrO₂-35%SiO2₂ próbki wygrzewano w różnych temperaturach, przy czym próbki niedomieszkowane stanowiły grupę kontrolną. ZrO₂ NC w spiekanej próbce miały średnią wartość 40,8 nm.

„W porównaniu z rozmiarami ZrO₂ NC w próbce spiekanej, te w próbce wyżarzonej w temperaturze 1200°C wzrosły o 117,6%, co wskazuje, że ZrO₂ NC wykazywały bardzo silną kinetykę gruboziarnistości. Dla porównania, w porównaniu z rozmiarami spiekanego ZrO₂ NC w próbce współdomieszkowanej wieloelementowo, te w próbce wyżarzonej w temperaturze 1200°C wzrosły jedynie o 19,8%, co wskazuje, że kompleksy GB przyczyniły się do silnej odporności ZrO na gruboziarniste₂ NC” – powiedział Fu.

Jednakże w próbce współdomieszkowanej wieloma pierwiastkami wystąpiło spiekanie w fazie ciekłej, tak że rozmiary spiekanego ZrO₂ NC w próbce współdomieszkowanej były znacznie większe niż w próbce niedomieszkowanej. Przyszłe prace mogłyby skupić się na optymalizacji domieszek, aby uniknąć spiekania w fazie ciekłej.

Inni współautorzy to Gabriel Arcuri i Kathryn Grandfield z Uniwersytetu McMaster w Kanadzie; Wenjun Yu, Zihua Lei i Ying Deng ze Szkoły Inżynierii Materiałowej, Central South University, Chiny; Bohan Wang z Państwowego Kluczowego Laboratorium Nowej Ceramiki i Przetwarzania Precyzyjnego, Uniwersytet Tsinghua, Chiny.