改进陶瓷材料砂浆的新方法亚博网站下载

一提到陶瓷，大多数人会想到他们最喜欢的花盆或杯子。然而，当代技术充斥着复杂的陶瓷，从陶瓷超导体到硅太阳能电池板和生物医学植入物。

这些复杂的多晶陶瓷大部分都是由晶体颗粒混合而成的，从微观上看，它们就像用石灰石砂浆粘在一起的石栅栏。与石栅栏相似，砂浆的强度决定了陶瓷的强度;在陶瓷中，灰浆指的是晶粒边界，或者是不同晶粒连接在一起的区域。

过去，许多科学家认为陶瓷中的这些晶界具有高度稳定的化学性质。然而，根据材料科学工程师最近进行的一项研究亚博网站下载亚博老虎机网登录威斯康星大学麦迪逊分校在美国，情况并非如此。当材料受到辐射时，碳原子聚集在关键的陶瓷材料碳化硅的晶界。

这一发现可能有助于工程师对陶瓷的特性有更深入的了解，并可能有助于完善一系列新的陶瓷材料。亚博网站下载研究结果将发表在自然材料亚博网站下载2020年6月。

从20世纪70年代开始，科学家们就知道了辐射在金属合金中引起的类似分离。金属原子可以很容易地混合和分解，因为它们可以自由地共享电子。

当金属原子受到离子辐射的撞击时，金属内部的一些原子会离开位置，并向晶界移动;然而，如果不同类型的原子以不同的速度运动，就很容易改变合金的化学性质。

但在陶瓷中，原子对与它们结合的邻居的类型非常挑剔，与金属相比，它们的化学键相对更强。这就是为什么科学家们假设这些原子没有暴露在同样的分离中。

然而，当威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的亚博网站下载材料科学亚博老虎机网登录与工程教授Izabela Szlufarska开始仔细研究碳化硅的晶界时，她的发现却并非如此。

在碳化硅中，硅和碳确实需要配对;它们想要50%的碳和50%的硅．

Izabela Szlufarska，威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系教授亚博网站下载亚博老虎机网登录

但当Szlufarska的研究团队进行模拟并对晶界进行成像时，发现晶界处的碳浓度仅为45%。

的化学反应真的很差。这是第一个惊喜，因为这种材料真的想要有有序的原子．

Izabela Szlufarska，威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系教授亚博网站下载亚博老虎机网登录

这意味着碳化硅可能对辐射引起的偏析也很敏感。因此，Szlufarska和她的研究团队使用离子辐射轰击该物质，发现在300°C到600°C之间，晶界经历了碳富集。

在这样的能量水平，辐射迫使一些碳原子离开位置，并在碳化硅中产生两个缺陷，包括一个松散的碳原子被称为间隙，一个空位被称为空位。那些不受束缚的间隙原子会转移到晶粒边界，在那里它们形成并最终影响材料的化学性质。

科学家们根本不相信这种分离实际上发生在陶瓷中。Szlufarska告诉我们，除此之外，他们甚至没有分析这一现象的工具。

在精心准备和制造碳化硅双晶体后，橡树岭国家实验室和威斯康星大学麦迪逊分校的高级扫描透射电子显微镜使研究人员能够克服沿晶界的化学成分。

据研究人员称，这种现象也可能发生在其他类型的多晶陶瓷中。这一过程被认为是一把双刃剑——一方面，辐射引起的偏析意味着陶瓷和金属合金一样，即使在不同的温度下，也容易在晶界处发生同样的变质和破坏。

另一方面，辐射诱导的分离可能被证明在材料工程中很容易制造陶瓷的专用模型，如碳化硅，它被用于喷气发动机、核能和其他高级应用。亚博网站下载

也许辐射可以作为一种工具来微调晶界化学。这在未来可能对我们有用．

王兴，研究合著者，宾夕法尼亚州立大学助理教授

Izabela Szlufarska是威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)材料科学、工程和工程亚博网站下载物理学哈亚博老虎机网登录维·d·斯潘格勒(Harvey D. Spangler)工程教授。

王兴(目前是宾夕法尼亚州立大学的助理教授)和威斯康星大学麦迪逊分校的张洪亮是这项研究的合著者，并对这篇文章做出了同样的贡献。

其他来自威斯康辛大学的作者包括Tomonori Baba, Hao Jiang, Cheng Liu, Yingxin Guan, Omar Elleuch, Milton J. and A. Maude Shoemaker和Beckwith-Bascom化学和生物工程名誉教授Thomas Kuech, Harvey D. Spangler材料科学与工程教授Dane Morgan，亚博网站下载亚博老虎机网登录以及Beckwith-Bascom材料科学与工程教授Paul Vo亚博网站下载yles。亚博老虎机网登录

其他作者包括橡树岭国家实验室纳米材料科学中心的Juan-Carlos Idrobo。亚博网站下载亚博老虎机网登录

研究人员感谢美国能源基础能源科学部对这项研究的资助(基金编号DE-FG02-08ER46493)。亚博老虎机网登录该团队还承认使用了由美国国家科学基金会通过威斯康星大学材料研究科学与工程中心(DMR-1720415)支持的仪器和设备。亚博网站下载亚博老虎机网登录

这项电子显微镜研究是橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心用户项目的一部分。亚博网站下载亚博老虎机网登录

期刊引用:

王,X。,et al。(2020)陶瓷中的辐射诱导偏析。自然材料亚博网站下载．doi.org/10.1038/s41563 - 020 - 0683 - y．

来源:https://www.wisc.edu/