Wetenschappers hebben een manier ontdekt om keramiek sterker en beter bestand tegen scheuren te maken. Een team van onderzoekers onder leiding van ingenieurs van UC San Diego heeft het potentieel ontdekt voor keramiek om hogere sterkte en spanning te weerstaan dan ooit tevoren door metaalatomen te mengen met meer buitenste elektronen in deze materialen.
Keramiek biedt veel voordelen vanwege hun uitzonderlijke eigenschappen, waaronder het vermogen om extreem hoge temperaturen te weerstaan, corrosie en oppervlakteslijtage te weerstaan, en een lichtgewicht vormfactor te behouden. Deze eigenschappen maken ze geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals beschermende coatings op lucht- en ruimtevaartcomponenten en -motoren en snijgereedschappen. Broosheid is echter altijd hun zwakte geweest. Ze kunnen gemakkelijk breken onder stress.
Maar nu hebben onderzoekers een oplossing gevonden die keramiek beter bestand kan maken tegen scheuren. Ze publiceerden hun resultaten onlangs in het tijdschrift Science Advances.
Het onderzoek, geleid door Kenneth Vecchio, hoogleraar nano-engineering aan de UC San Diego, concentreerde zich op een klasse keramiek die hoog-entropiecarbiden wordt genoemd. Deze materialen hebben een zeer ongeordende atomaire structuur gemaakt van koolstofatomen gecombineerd met een verscheidenheid aan metalen elementen uit de kolommen vier, vijf en zes van het periodiek systeem. Deze metalen omvatten titanium, niobium en wolfraam. De onderzoekers ontdekten dat de sleutel tot het sterker maken van keramiek het gebruik van metalen uit de vijfde en zesde kolom van het periodiek systeem was, omdat deze een hoger aantal valentie-elektronen hebben.
Valentie-elektronen – elektronen die zich in de buitenste schil van een atoom bevinden en aan andere atomen zijn gebonden – bleken een sleutelfactor te zijn. Door metalen met een hoger aantal valentie-elektronen te gebruiken, slaagden de onderzoekers erin de weerstand van het materiaal tegen scheuren te verbeteren bij blootstelling aan mechanische belastingen en spanningen.
"Deze extra elektronen zijn belangrijk omdat ze de ductiliteit van het keramische materiaal effectief vergroten, wat betekent dat het meer vervorming kan ondergaan voordat het breekt, vergelijkbaar met metalen," zei Vecchio.
Om dit effect beter te begrijpen, werkte de onderzoeksgroep van Vecchio samen met Davide Sangiovanni, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Linköping Universiteit in Zweden. Sangiovanni voerde computationele simulaties uit, terwijl Vecchio's team experimentele fabricage en tests van de materialen uitvoerde.
Het onderzoeksteam bestudeerde carbiden met een hoge entropie met verschillende combinaties van vijf metaalelementen. Elke combinatie produceerde een andere concentratie valentie-elektronen in het materiaal, en ze vonden twee carbiden met een hoge entropie die uitstekende weerstand vertoonden tegen scheuren onder belasting of spanning vanwege hun hogere valentie-elektronenconcentratie. Eén daarvan bestaat uit de metalen vanadium, niobium, tantaal, molybdeen en wolfraam. Een ander materiaal gebruikt chroom in plaats van niobium.
Onder mechanische belasting of spanning kunnen deze materialen respectievelijk vervormen of uitrekken, vergelijkbaar met het gedrag van metalen, in plaats van de typische brosse reactie van keramiek. Wanneer deze materialen worden doorboord of uit elkaar worden getrokken, beginnen de bindingen te breken, waardoor openingen van atomaire grootte ontstaan. De extra valentie-elektronen rond de metaalatomen reorganiseren zich vervolgens, overbruggen deze openingen en vormen nieuwe bindingen tussen aangrenzende metaalatomen. Dit mechanisme behoudt de materiaalstructuur rond de opening, waardoor effectief wordt voorkomen dat de opening groter wordt en scheuren vormt.
"Wat we ontdekten is dat er een onderliggende transitie plaatsvindt op nanoschaal, waarbij de bindingen zich herschikken om het materiaal bij elkaar te houden", zegt co-auteur Kevin Kaufmann, een promovendus op het gebied van nano-engineering aan de UC San Diego. “In plaats van het breukoppervlak direct te splijten, zal het materiaal langzaam breken als een touw als er aan wordt getrokken. Zo kan het materiaal zich aanpassen aan de vervorming die optreedt zonder dat het op een brosse manier bezwijkt.”
De uitdaging is nu om de productie van deze stoere keramiek voor commerciële toepassingen op te schalen. Dit zal technologieën helpen transformeren die afhankelijk zijn van hoogwaardige keramische materialen, van luchtvaartcomponenten tot biomedische implantaten.
De hernieuwde taaiheid van deze keramiek maakt ook de weg vrij voor gebruik in extreme toepassingen, zoals de voorranden van hypersonische voertuigen. Vecchio legde uit dat harder keramiek zou kunnen dienen als voorwaartse verdediging voor deze voertuigen, waardoor vitale componenten worden beschermd tegen puin en waardoor de voertuigen supersonische vluchten beter kunnen overleven.
"Door de al lang bestaande beperkingen van keramiek op te lossen, kunnen we het gebruik van keramiek enorm uitbreiden en materialen van de volgende generatie creëren die het potentieel hebben om een revolutie teweeg te brengen in onze samenleving", aldus Vecchio.