Kontrollierte Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften von Al2O3-basierten Nanokohlenstoff-Verbundwerkstoffen, die durch elektrostatische Montageverfahren hergestellt werden

Einführung

Es ist bekannt, dass Aluminiumoxid (Al₂ O₃ ) besitzt gute Eigenschaften wie hohe Härte, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und hohe chemische Beständigkeit. Andererseits sind die Nachteile von Aluminiumoxid seine geringe Bruchzähigkeit, geringe Festigkeit bei erhöhter Temperatur sowie schlechte Temperaturwechselbeständigkeit [1]. Dies hat zu intensiver Forschung in der Entwicklung von Nanokompositen auf Aluminiumoxidbasis im Mikro- und Nanobereich geführt. Von funktionellen Keramikverbundwerkstoffen mit gut dispergierten Nanopartikeln in der Keramikmatrix wird berichtet, dass sie nicht nur die mechanischen Eigenschaften wie Bruchfestigkeit, Bruchzähigkeit, Ermüdung und Verschleißfestigkeit verbessern, sondern auch die elektrischen, magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften [2 ,3,4,5,6,7]. Um die mechanischen Eigenschaften von Keramiken zu verbessern und zu kontrollieren, wurden mikrostrukturelle Porosität [8, 9], der Einbau von additiven Füllstoffen [10] und Wärmebehandlungsprofile [11, 12] verwendet und berichtet. Dies zeigt, dass durch die Kontrolle der Mikrostruktur von Al₂ O₃ , die gewünschten mechanischen Eigenschaften von Al₂ O₃ Keramik gewonnen werden konnte. In den meisten veröffentlichten Arbeiten wurde jedoch nur die einfache Methode von Al₂ . verwendet O₃ Mischen von Pulvern vor dem Sintern, was nicht ausreicht, um eine gute Kontrolle der Mikrostruktur und des Designs von Al₂ . zu erhalten O₃ Keramik, was zu einer schlechten Kontrollierbarkeit seiner mechanischen Eigenschaften führt. Bei der Bildung von Nanokompositen durch ein konventionelles Mischverfahren bleibt es aufgrund der Agglomeration der Additivpartikel eine große Herausforderung, eine homogene Dekoration von nanoskaligen Additivpartikeln auf einem bestimmten Primärpartikel zu erhalten. Die durch die Agglomeration verursachte ungleichmäßige Verteilung würde dann zu negativen Auswirkungen auf das Gefügedesign sowie die Eigenschaften eines keramischen Komposits führen. Daher wurde in dieser Studie ein neuartiges Verfahren über eine Bottom-up-Montage unter Verwendung einer elektrostatischen Adsorptionsmethode verwendet, um die Machbarkeit einer guten Mikrostrukturkontrolle und eines guten Designs zu demonstrieren, die es ermöglichen, kontrollierte gewünschte Eigenschaften in Al₂ O₃ Keramiken wie optische, elektrische und mechanische Eigenschaften. Als einer der möglichen Zusätze für Al₂ O₃ keramische Verbundwerkstoffe, verschiedene Formen von Kohlenstoffmaterialien in Nanogröße wie Fasern (Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Nanofasern) und Platten (Graphen) sowie Partikel wurden entwickelt. Dies ermöglicht die Anwendung von kohlenstoffbasierten Materialien als Additiv für die Materialherstellung, über die kürzlich berichtet wurde.

Bei der Entwicklung von Aluminiumoxid-Verbundwerkstoffen auf Kohlenstoffbasis haben Kumari et al. berichteten über die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren (CNT)-Aluminiumoxid-Verbundwerkstoffen von 60 auf 318% im Vergleich zu reinem Aluminiumoxid durch Änderung des Gewichtsprozentsatzes der CNT-Zugabe und der Sintertemperatur [4]. Aufgrund der außergewöhnlichen tribologischen Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Verbundwerkstoffen für Anwendungen wie Stromerzeugung, Transport und Fertigung haben sich viele Forscher außerdem auf die Entwicklung kohlenstoffbasierter Verbundwerkstoffe konzentriert [13, 14]. Von Keramiken mit kohlenstoffverstärkten Oberflächen wurde berichtet, dass sie eine verbesserte Verschleißfestigkeit und einen verringerten Reibungskoeffizienten aufweisen. Trotz umstrittener Berichte über die Verbesserung der mechanischen Festigkeit durch Verwendung von Kohlenstoffnanofasern (CNF) auf Aluminiumoxid und Zirkonoxid haben die meisten Autoren von Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften berichtet. Eine kürzlich durchgeführte Studie von CNT über die Kriecheigenschaften von Aluminiumoxid zog eine gegenteilige Schlussfolgerung, da berichtet wurde, dass die Kriechfestigkeit in Abhängigkeit von der Zugabemenge von CNT aufgrund einer Behinderung des Korngrenzengleitens oder der Förderung der Korngrenze entweder verstärkt oder geschwächt werden könnte Diffusion bzw. Gleiten [15]. Inzwischen haben Crepo et al. berichteten, dass Graphenoxid-verstärktes Aluminiumoxid-Komposit eine bessere Kriechbeständigkeit aufweist als CNF-verstärktes Aluminiumoxid [16]. Aufgrund der hervorragenden Schmiereigenschaften von Graphit sind kohlenstoffbasierte Materialien auch ein guter Kandidat für Festschmierstoffanwendungen. Während der Trockenreibung wird von Verbundwerkstoffen auf Kohlenstoffbasis berichtet, dass sie einen Schmierfilm durch das Abblättern von Kohlenstoff und dessen Einbau in die Keramiktrümmer über der betroffenen Kontaktfläche erzeugen [13]. Die meisten der berichteten Arbeiten beinhalten jedoch die Verwendung des alleinigen Mischens entweder durch Ultraschallmischen von Suspensionen oder ein konventionelles mechanisches Mahlen, und es wurden keine Arbeiten zur kontrollierten Dekoration von Kohlenstoffmaterialien auf Keramik gezeigt, die zur Bildung von mikrostrukturgesteuertem Kohlenstoff führt. basierte Keramik. Daher wird in dieser Studie CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoffe wurden unter Verwendung einer elektrostatischen Adsorptionsanordnung hergestellt, die eine bessere Kontrollierbarkeit in ihrer Verbundstoffanordnung und -konstruktion bietet. Die Al₂ O₃ Mikropartikel, die in dieser Arbeit verwendet wurden, wurden durch Kontrollgranulation von Al₂ . in Nanogröße erhalten O₃ Partikel. Dann wird das granulierte Al₂ O₃ erhaltene Mikropartikel wurden zur Bildung von Kohlenstoff CNP-Al₂ . verwendet O₃ zusammengesetzt. Die Studie wurde systematisch durchgeführt, indem die Menge der Kohlenstoff-Nanokügelchen von 0,3, 0,6 und 1,0 Vol.-% (Volumenprozent) und die durchschnittliche Größe der verwendeten Aluminiumoxidpartikel variiert wurden. Die mechanischen Eigenschaften von Verbundproben auf Kohlenstoffbasis wurden dann charakterisiert und mit einer monolithischen Aluminiumoxidprobe unter Verwendung eines Dreipunkt-Biege- und Eindrucktests verglichen. Die Wechselbeziehung zwischen der erhaltenen Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften wird ebenfalls diskutiert und erläutert.

Methoden

Aluminiumoxid-Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 150 nm wurden von Taimei Kagaku Kogyo Co. bezogen und als Vorläufer verwendet, um granuliertes Al 2 zu erhalten O₃ Mikropartikel. Die Granulierung wurde unter Verwendung von Sprühtrocknung einer Mischung von Al₂ . durchgeführt O₃ Mikropartikel mit Acrylbinder. Die Al₂ O₃ Mikropartikel wurden dann gesiebt, um drei verschiedene durchschnittliche Durchmesser 37, 62 und 98 µm zu erhalten, die dann als Primärpartikel verwendet wurden. CNP mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 260 nm wurde von Tokai Carbon Co. bezogen und als Additiv-Nanopartikel verwendet. Da CNP hydrophob und in einem wässrigen Medium nicht dispergierbar ist, wurde es zunächst in SDC (Natriumdesoxycholat)-Lösung dispergiert und dann für die anschließende Beschichtung einer Hydrophilierungsbehandlung unterzogen. 40 ml einer 0,1 Gew.-% SDC-Lösung wurden zu 1 g CNP gegeben und durch Ultraschall für 30 min dispergiert. Dann wurde die Lösung zentrifugiert und dreimal unter Verwendung von Ionenaustauschwasser gewaschen, was durch Rühren des Wassers mit einem Mischer durchgeführt wurde. Danach erfolgte die Modifikation der Oberflächenladung unter Verwendung von Polykation und Polyanion. Als Polykation bzw. Polyanion wurden Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PDDA) (mittleres Molekulargewicht 100.000 bis 200.000, Sigma-Aldrich) und Polynatriumstyrolsulfonat (PSS) als Polyanion (mittleres Molekulargewicht 70.000, Sigma-Aldrich) verwendet. Danach wurden die SDC-beschichteten CNPs abwechselnd in PDDA, PSS und PDDA eingetaucht, um eine stabile positive Oberflächenladung zu induzieren. Nach dem Adsorptionsprozess wurde die verbleibende Suspension getrocknet und dann gesammelt. In der ersten Untersuchung wurde das Al₂ O₃ Partikel mit einem Durchmesser von 62 μm wurden verwendet und die Durchführbarkeit der CNP-Bedeckungskontrolle auf Al₂ O₃ Partikel durchgeführt wurde. Der Volumenprozentsatz des zugesetzten CNP betrug 0,3, 0,6 und 1,0 Vol.-%. Bei der Untersuchung der Wirkung von Al₂ O₃ Größe wurde ein fester 0,6 vol% der CNP-Zugabe eingestellt, während Al₂ O₃ Partikel mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern von 37, 62 und 98 µm wurden für die Kompositbildung verwendet. Das CNP-Al₂ O₃ Kompositpartikel wurden zuerst einachsig unter Verwendung einer Matrize mit einem Durchmesser von 12 mm gepresst. Der angelegte Druck betrug 300 MPa und die Haltezeit betrug 5 min. Danach wurde das erhaltene Pellet in eine Graphitmatrize mit h-BN-Pulver zum Heißpresssintern (Diavac Inc. Ltd.) eingesetzt Pa) bei 1350 °C (Aufheizrate 10 °C/min) für 2 h bei einem Druck von 30 MPa. Die Morphologien des CNP-Al₂ O₃ Verbundstoffe und die erhaltene gesinterte Mikrostruktur wurden unter Verwendung eines S-4800 Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-SEM, Hitachi S-4800) beobachtet. Das Zeta-Potential wurde unter Verwendung eines Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 und Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd. gemessen. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurde der Elastizitätsmodul der erhaltenen Probe unter Verwendung eines 3-Punkt-Biegetests gemessen . Die Probe wurde zunächst in ein streifenförmiges Prüfblech geschnitten und die Dimension mit einem Flächenschleifer feinjustiert. Die Abmessungen des hergestellten Prüfkörpers betrugen 3  × 4  × 40  mm. Danach wurde mit 0,5 mm Aluminiumoxid und Diamantpaste mit einer Körnung von 30 bzw. 9 µm poliert. Der 3-Punkt-Biegetest wurde unter Verwendung eines kompakten Testers vom Instron-Typ gemessen. Zuerst der Stress (σ ) wurde mit Gl. 1 wo, l , b , und h sind die Spannweite und die Abmessungen jedes Teststücks, während P stellt die Belastung dar. Als nächstes wurde die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung aufgetragen und der Elastizitätsmodul wurde aus der Steigung der kleinsten Quadrate berechnet. Die Traversengeschwindigkeit wurde mit 0,02 mm/min und die Spannweite mit 30 mm getestet.

Die Härteeigenschaften der Verbundprobe wurden unter Verwendung von Eindrücken weiter bewertet. Der verwendete Rockwell-Eindringkörper bestand aus einem Diamanten (E _ich = 1050 GPa, υ = 0.20) mit einem nominellen Krümmungsradius, R = 200 eingebettet in eine konische Spitze mit einem Spitzenwinkel von 120°. Der Eindringkörper wurde in einen Instron-Tester (Sanwa Instruments) eingesetzt und mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,05 mm/s bis zu einer festen Tiefe (20 µm) eingetrieben. Die während des Eindrückens erhaltene Last wurde mit einer Wägezelle (TCLZ-100KA, Tokyo Gakko) gemessen und die Eindrucktiefe wurde mit einem berührungslosen elektrostatischen Verschiebungsmesser (VE-222, Ono Sokki) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt das Oberflächenladungs-Zetapotential von Al₂ O₃ Partikel und CNP nach alternierenden Beschichtungen von PDDS und PSS entsprechend. Es konnte beobachtet werden, dass das Aluminiumoxid und das CNP nach drei Beschichtungsschichten ein Zetapotential von + 55 bzw. − 55 mV aufwiesen. Das erreichte Zeta-Potential nach drei Beschichtungsschichten sowohl auf CNP als auch auf Al₂ O₃ Mikropartikel war stabil. Die Oberflächenmorphologien des CNP-Al₂ O₃ Komposite mit unterschiedlichen 0,3, 0,6 und 1,0 Vol-% CNP-Zugabe sind in den SEM-Bildern von Abb. 2 gezeigt. Aus den SEM-Bildern mit höherer Vergrößerung ist deutlich zu erkennen, dass die CNP-Menge, die auf der Al .-Oberfläche adsorbiert wird, ₂ O₃ Partikel nahmen mit einem höheren Volumenprozentsatz der CNP-Zugabe zu. Es ist wichtig zu beachten, dass die CNP homogen über das Al₂ . verteilt sind O₃ Oberfläche ohne Anzeichen von Agglomeration, was den Vorteil der EA-Methode darstellt, eine gleichmäßige und gleichmäßige Verteilung zu erzielen. Die Partikelgröße des beobachteten CNP beträgt ungefähr 260 nm. Durch Festlegen der Zugabe von CNP auf 0,6 vol% und Variieren der Größe des Al₂ O₃ Mikropartikel von 37, 62 und 98 μm, die Verteilung von CNP auf der Oberfläche von Al₂ O₃ Partikel sind in den SEM-Bildern in Fig. 3 gezeigt. Aus der Beobachtung der SEM-Bilder war ersichtlich, dass mit zunehmendem Durchmesser der Partikelgröße die an der Oberfläche adsorbierte CNP-Menge entsprechend zunahm. Als größeres Al₂ O₃ Partikel besitzen eine geringere Gesamtoberfläche im Vergleich zu dem kleineren Al₂ O₃ Partikeln ist die für die CNP-Adsorption verfügbare kollektive Oberfläche auch geringer als bei kleinerem Al₂ O₃ Partikel. Daher wurde bei einer konstanten Zugabe von 0,6 Vol.-% CNP eine größere Menge CNP auf der geringeren Gesamtoberfläche des größeren Al₂ . adsorbiert O₃ Partikel. Als Ergebnis wird die Menge an CNP, die auf dem Al₂ . adsorbiert wird, O₃ Es wird beobachtet, dass die Oberfläche mit der Durchmessergröße von Al₂ . zunimmt O₃ Partikel, die zu einer höheren Dichte der CNP-Adsorption auf der Oberfläche von 98 μm Al₂ . führten O₃ Partikel. Auf der anderen Seite wird mit abnehmender Partikelgröße die verfügbare Gesamtoberfläche für die CNP-Adsorption an Al₂ O₃ erhöht, und daher wird eine spärliche Verteilung von CNP aufgrund der unzureichenden Menge an CNP in der Suspension (bei einem festen 0,6 Vol.-%) beobachtet. Die mit CNP-Al₂ . erhaltene gesinterte Mikrostruktur O₃ Verbund und hohe Vergrößerung an der Grenzfläche, wie in Fig. 4 gezeigt. Aus dem SEM-Bild in Fig. 4a ist ersichtlich, dass die erhaltene Mikrostruktur die Form des erhaltenen CNP-Al₂ . widerspiegelt O₃ zusammengesetzt. Bemerkenswert ist, dass die Korngrenzen entlang der Korngrenzen zu einem Netzwerk verbunden sind. Aus der Beobachtung des CNP-Netzwerks, das sich entlang der Korngrenzen bildet, ist die Homogenität der CNP-Verteilung auf der Oberfläche von Al₂ O₃ Partikel bestimmt werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass es möglich ist, ein mikrostrukturgesteuertes Verbundmaterial durch die Gestaltung des Verbundvorläufers zu erhalten. Aus dem SEM-Bild mit höherer Vergrößerung in Fig. 4b ist das Vorhandensein einer Kohlenstoffschicht zwischen der Grenzfläche des Al₂ O₃ Korngrenzen sind zu erkennen. Dies zeigt, dass das Sintern des CNP zwischen den Al₂ O₃ Partikel beim Heißpresssintern führten zu einer gleichmäßigen Beschichtung einer Kohlenstoffschicht entlang der Korngrenzen. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Al₂ O₃ Die erhaltene Matrix ist dicht und gut gesintert, ohne dass Poren beobachtet werden, wie in Fig. 4b gezeigt. Dies ist auf die Bildung von dicht gepacktem granuliertem Al₂ . zurückzuführen O₃ Nanopartikel (150 nm), die eine gute Sinterfähigkeit ermöglichen, was die neuartige Technik dieser Arbeit demonstriert. Die Elastizitätsmodule des CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoff, erhalten mit einem 3-Punkt-Biegetest, aufgetragen als Funktion von Al₂ O₃ Partikelgröße und Oberflächenbedeckungsprozentsatz sind in Fig. 5 gezeigt. Aus Fig. 5a zeigt der gezeigte Elastizitätsmodul der unter Verwendung von Al 2 hergestellten Probe O₃ Partikel nur ungefähr 390 GPa, was mit den Ergebnissen übereinstimmt, die für polykristallines Al₂ . berichtet wurden O₃ die zwischen 300 und 400   GPa liegt [6, 12]. Das Erreichen dieses Elastizitätsmodulwerts bestätigt die REM-Beobachtung, bei der eine gute Mikrostruktur und Verdichtung mit granuliertem Al₂ . erreicht wurde O₃ Nanopartikel. In der Studie von Ashizuka et al. Zum Einfluss der Porosität auf die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramiken ist der Elastizitätsmodul der Keramik ohne Porosität (0%) mit ca. 380 GPa etwas niedriger [17]. Zu den Elastizitätsmodulen des CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoffen ist ersichtlich, dass die Eigenschaft kontrolliert werden könnte, da sie entweder mit einer höheren Volumenprozent-Zugabe von CNP oder einer Erhöhung des Al₂ . linear abnahm O₃ Partikelgröße. Ein ähnlicher Trend wurde auch in der Arbeit von Shin et al. beobachtet, wo die Elastizitätsmoduli ihrer reduzierten Graphenoxid- und einwandigen CNT-Aluminiumoxid-Komposite durch Erhöhung des Additivgehalts reduziert wurden [6]. Als beide Faktoren (Menge an CNP und Partikelgröße von Al₂ O₃ ) beeinflussen die spezifische Oberfläche stark und führen zu einer stärkeren Adsorption von CNP auf dem Al₂ O₃ Partikeloberfläche, würde dies das Sintern von Al₂ . verhindern O₃ und ein möglicher Gleiteffekt der Carbonschicht führte zu geringeren Elastizitätsmodulen [6]. Dieses Ergebnis stimmt mit den von Gopalan et al. wobei die in ihrem Verbundstoff verwendeten CNT das Kornwachstum verzögerten, aber keinen Einfluss auf das Korngrenzengleiten hatten, was zum Auftreten von Superplastizität führte [15]. Dieser Befund weist auf die Möglichkeit hin, den Elastizitätsmodul eines Al₂ . zu verändern und zu kontrollieren O₃ Keramik durch Steuerung der Mikrostrukturbildung über das Design des Vorläuferverbundstoffs, der bei der Bildung von CNP-Al₂ . verwendet wird O₃ . In Fig. 5b die Auftragung der erhaltenen Elastizitätsmoduli als Funktion des CNP-Bedeckungsgrades auf Al₂ O₃ wird gezeigt. Es wird eine lineare Korrelation zwischen dem CNP-Bedeckungsgrad und der Elastizitätsmodulfestigkeit beobachtet, die die oben genannten Ergebnisse weiter bestätigen. Aus diesen Ergebnissen wird daher gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften eines CNP-Al₂ O₃ Verbundkeramik kann über das CNP-Bedeckungsverhältnis gesteuert werden, indem entweder die Menge der CNP-Zugabe oder die Partikelgröße des primären Al₂ . geändert wird O₃ . Bei der Bestimmung der Mikrohärte des CNP-Al₂ O₃ zusammengesetzte Proben, ein Vergleich zwischen reinem Al₂ O₃ und CNP-Al₂ O₃ Proben, die mit 1,0 vol% CNP-Zusatz mit verschiedenen Al₂ . hergestellt wurden O₃ Partikelgrößen von 37, 62 und 98 µm wurden untersucht. Die erhaltenen Eindruckergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die reine Aluminiumoxidprobe den höchsten Härtewert aufwies, während die Härte von CNP-Al₂ O₃ zusammengesetzte Proben reduziert mit größerem Al₂ O₃ Partikelgröße. Dies liegt an der geringeren Gesamtoberfläche von Al₂ O₃ wenn die Partikelgröße zunimmt, was zu einer höheren Menge an an der Oberfläche adsorbiertem CNP führt. Anschließend wird die höhere CNP-Menge auf dem Al₂ O₃ Grenzfläche führte zu einer verringerten Härte entweder aufgrund der Hemmung eines effektiven Sinterns zwischen dem Al₂ O₃ Grenzfläche oder das Gleiten der zusammenhängenden Kohlenstoffschicht entlang der Korngrenzen von Al₂ O_3. Daher ist eine kontrollierte Verteilung von CNP auf der Oberfläche von Al₂ . von entscheidender Bedeutung O₃ um die Bildung einer gewünschten Mikrostruktur zu induzieren, die zu den gewünschten mechanischen Eigenschaften von CNP-Al₂ . führt O₃ zusammengesetzt.

Zetapotential von oberflächenladungskontrolliertem Al₂ O₃ und Kohlenstoff-Nanopartikel

REM-Bilder der a 0,3 vol%, b 0,6 vol% und c 1,0 vol% CNP beschichtet auf Al₂ O₃ Granulationspartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 62 μm

SEM-Aufnahmen des auf Al₂ . beschichteten 0,6 vol% CNP O₃ Granulationspartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von a 37, b 62 und c 98 μm

a Mikrostruktur von 0,6 vol% CNP-Al₂ O₃ Komposit mit Al₂ O₃ mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 62 μm. b Korngrenze von CNP-Al₂ O₃ zusammengesetzt. An der Grenzfläche zwischen dem Al₂ . konnte eine Kohlenstoffschicht beobachtet werden O₃ Matrix

Elastizitätsmodule von CNP-Al₂ O₃ Zusammensetzungen als Funktion von a Matrixpartikelgröße und b CNP-Abdeckung auf Al₂ O₃ Partikel

Hysteresekurven der Eindrucklast und Eindringtiefe von 1,0 vol% CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoffe

Aus der Einrückungslast (P )-Tiefe (h ) Kurve (P -h Kurve) während des Be- und Entladezyklus konnten die Mikrostrukturänderung und der Mechanismus der Oberflächenverformung ermittelt werden [18]. Die einfache quadratische Gleichung mit Einrückungslast (P ) und Eindringtiefe (h ) in Gl. 2 kann für die Analyse des Ladevorgangs verwendet werden [18,19,20].

Die Beladung von monolithischem Al₂ O₃ zeigte eine Korrelation mit dem P -h Kurve ähnlich der quadratischen Gl. 2 während CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoff hergestellt mit Al₂ O₃ Partikel mit den Größen 37 und 62 μm zeigten eine lineare mit abweichender Kurve vom monolithischen Al₂ O₃ Ladekurve bzw. Dies weist auf das Vorhandensein von CNP innerhalb der Mikrostruktur (an der Grenzfläche der Korngrenzen) hin, was zu einer lokalen Verformung entlang der Korngrenzen führte. Wie für CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoff hergestellt mit Al₂ O₃ bei einer Partikelgröße von 98 μm führte die hohe Dichte von CNP an den Korngrenzen zu einer Diskontinuität von P -h Hysteresekurve und zeigte die geringste Härte aufgrund des Auftretens von Korngrenzenschlupf oder Oberflächenmikrorissen.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wurde eine machbare kontrollierte Bildung von CNP-Al₂ O₃ Verbund durch ein elektrostatisches Adsorptionsverfahren wird demonstriert. Die Al₂ O₃ Die verwendeten Mikropartikel wurden durch Granulierung von Al₂ . in Nanogröße (150 nm) erhalten O₃ Partikel, die eine bessere Verdichtung und Sinterfähigkeit ermöglichten. Bei der Herstellung von Verbundkeramiken, Parameter, die die Menge an CNP (0,3, 0,6, 1,0 vol%) und primär granuliertes Al₂ . umfassen O₃ Mikropartikelgrößen (37, 62, 92 µm) wurden untersucht. Es wird gezeigt, dass durch die Kontrolle der Menge an CNP-Additiven und Al₂ O₃ Mikropartikelgröße konnten unterschiedliche Oberflächenbedeckungen erzielt werden, was zu einer kontrollierten Mikrostrukturbildung mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften führte. Verwendung des homogenen CNP-Al₂ O₃ Verbundwerkstoff wurde eine durchgehende, miteinander verbundene Kohlenstoffschicht entlang der Korngrenzen von Al₂ . erhalten O₃ . Ein dichtes und kompaktes Al₂ O₃ Matrix wurde auch aufgrund der guten Sinterung von Al₂ . beobachtet O₃ Nanopartikel. Aus den Ergebnissen eines 3-Punkt-Biege- und Eindrucktests wurde die Kontrolle der mechanischen Eigenschaften durch Anpassung der CNP-Bedeckung auf Al₂ . demonstriert O_3. Die Änderung des Elastizitätsmoduls war entweder auf die Hemmung des effektiven Sinterns oder das Gleiten der Kohlenstoffschicht zurückzuführen, die am Al₂ . erzeugt wurde O₃ Schnittstelle. Aus dieser Studie haben wir die Machbarkeit des mikrostrukturellen Designs von Keramik mit einer verbundenen Grenzfläche unter Verwendung von CNP-Al₂ . demonstriert O₃ zusammengesetzt. Diese Methode des mikrostrukturellen Designs wird größere Möglichkeiten und Potenziale für das Materialdesign durch Bottom-up-Montage eröffnen, um die gewünschten Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzielen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten.

Änderungsverlauf

Abkürzungen

CNP:

Kohlenstoff-Nanopartikel

PDDA:

Polydiallyldimethylammoniumchlorid

PSS:

Polynatriumstyrolsulfonat

SDC:

Natriumdesoxycholat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop