Новое свойства керамических материалов

Когда большинство людей думают о керамике, они могут представить свою любимую кружку или цветочный горшок. Но современные технологии полны современной керамики, от кремниевых солнечных панелей до керамических сверхпроводников и биомедицинских имплантатов.

Многие из этих современных поликристаллических керамик представляют собой комбинации кристаллических зерен, которые на микроскопическом уровне напоминают каменный забор, удерживаемый вместе с известняковым раствором. Как и у этого забора, прочность керамики определяется прочностью строительного раствора, который в керамике является границей зерна или областями, где встречаются различные зерна.

Ранее большинство исследователей полагали, что химия этих границ зерен в керамике была очень стабильной. Но новое исследование инженеров материаловедения в Университете Висконсин-Мэдисон показывает, что это не так. Фактически, в важном керамическом материале карбид кремния атомы углерода накапливаются на границах этих зерен, когда материал подвергается облучению. Открытие может помочь инженерам лучше понять свойства керамики и помочь в тонкой настройке керамических материалов нового поколения.

С 1970-х годов исследователям известно о подобной радиационной сегрегации в металлических сплавах. Поскольку атомы металла свободно делятся электронами, они могут легко смешиваться и размешиваться. Когда они подвергаются бомбардировке ионным излучением, некоторые атомы в металлах вырываются и движутся к границам зерен, и если атомы разных типов движутся с разными скоростями, химический состав сплава может быть изменен.

Атомы в керамике очень избирательны в отношении того, с какими соседями они связаны, а связи гораздо прочнее, чем в металлах. Вот почему исследователи полагали, что эти атомы не подвержены одному и тому же типу сегрегации. Но когда Изабела Шлуфарска, профессор материаловедения и инженерии в UW-Madison, начала присматриваться к границам зерен карбида кремния, она обнаружила следующее:

«В карбиде кремния кремний и углерод действительно хотят соединиться вместе; они хотят быть на 50 процентов углерода и на 50 процентов кремния».

Однако, когда ее команда провела симуляции и также изобразила границы зерен, концентрация углерода на границах составляла только 45%. «Химия была просто по-настоящему выключена», — говорит она. «Это было первым сюрпризом, так как этот материал действительно хочет иметь упорядоченные атомы».

Это говорит о том, что карбид кремния также может быть подвержен радиационной сегрегации. Таким образом, Шлуфарска и ее команда подвергли бомбардировке вещества ионным излучением, обнаружив, что между 300 градусами Цельсия и 600 градусами Цельсия границы зерен испытали обогащение углеродом.

На этих энергетических уровнях излучение заставляет некоторые атомы углерода выскочить из места, создавая пару дефектов в карбиде кремния, включая пустое пятно, называемое вакансией, и свободный атом углерода, называемый межузельным. Эти неприкрепленные промежуточные атомы мигрируют к границам зерен, где они накапливаются, влияя на химию материала.

Источник

Метки: атом, керамика