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了解陶瓷材料的砂浆可能会揭示改善它们的方法

  • 科学
  • 2020-05-26 08:36:51
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当大多数人想到陶瓷时,他们可能会想到自己喜欢的杯子或花盆。但是现代技术充满了先进的陶瓷,从硅太阳能电池板到陶瓷超导体和生物医学植入物。

许多先进的多晶陶瓷是晶粒的组合,在微观上类似于由石灰石砂浆固定的石围墙。像那个栅栏一样,陶瓷的强度取决于砂浆的强度,砂浆的强度在陶瓷中是晶界或不同晶粒相遇的区域。

以前,大多数研究人员认为陶瓷中这些晶界的化学性质非常稳定。但是威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学工程师进行的一项新研究表明,事实并非如此。事实上,在重要的陶瓷材料的硅,碳化硅,碳原子在那些晶界收集当材料暴露于辐射。这一发现可以帮助工程师更好地了解陶瓷的性能,并有助于微调新一代陶瓷材料。

这项研究的细节今天发表在《自然材料》杂志上。

自1970年代以来,研究人员已经意识到金属合金中类似的辐射诱导的偏析。因为金属原子自由地共享电子,所以它们能够轻松地混合和分解。当它们受到离子辐射的轰击时,金属中的某些原子会突然消失并移向晶界,并且如果不同类型的原子以不同的速率运动,则合金的化学性质可能会发生变化。

陶瓷中的原子对与之键合的相邻原子具有极高的选择性,并且其键合强度比金属中的强得多。这就是为什么研究人员认为这些原子不会受到相同类型的分离的原因。但是,当威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学与工程学教授伊莎贝拉·兹卢法斯卡(Izabela Szlufarska)开始仔细观察碳化硅的晶界时,她并没有发现。

她说:“在碳化硅中,硅和碳确实希望配对在一起;它们希望碳含量为50%,硅含量为50%。”

但是,当她的团队进行模拟并成像晶界时,边界处的碳浓度仅为45%。她说:“化学反应真的很慢。”“这是第一个惊喜,因为这种材料确实想拥有有序的原子。”

这表明碳化硅也可能易于受到辐射诱导的偏析。因此,Szlufarska和她的团队用离子辐射轰击了这种物质,发现在300摄氏度至600摄氏度之间,晶界经历了碳富集。

在这些能级下,辐射会导致一些碳原子突然消失,从而在碳化硅中产生一对缺陷,其中包括称为空位的空位和称为间隙的疏松碳原子。那些未连接的填隙原子迁移到它们积累的晶界,影响了材料的化学性质。

除了研究人员根本不相信这种类型的分离可能发生在陶瓷之外,Szlufarska说,直到最近,他们还缺乏调查这种现象的工具。经过艰苦的制造和碳化硅双晶的制备,在威斯康星大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室进行的最先进的扫描透射电子显微镜使研究小组能够确定沿晶界的化学成分。

研究小组认为,这种现象也可能在其他多晶陶瓷中发生。这个过程是一把双刃剑:一方面,辐射诱发的偏析意味着陶瓷在其晶界处与金属合金一样遭受相同类型的损坏和变质,尽管温度不同。另一方面,隔离可用于材料工程中,以生产特殊形式的陶瓷,例如碳化硅,用于核能,喷气发动机和其他高科技应用。

研究的合著者,宾夕法尼亚州立大学的教授王星说:“也许可以将辐射用作微调晶界化学的工具。”王星在获得威斯康星大学麦迪逊分校博士学位的同时从事这项研究。“这对我们将来可能有用。”

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