Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

W poszukiwaniu nowych metod tworzenia kompozytów

Powierzchnia pęknięcia otrzymanych kompozytów (SiC + 2.5% wag. Ti3C2)

Powierzchnia pęknięcia otrzymanych kompozytów (SiC + 2.5% wag. Ti3C2).

Jedną z największych wad węglika krzemu, materiału o wysokiej twardości, wykorzystywanego m.in. w przemyśle narzędziowym, jest jego niska odporność na kruche pękanie. Najczęściej w celu jej poprawy wytwarza się kompozyty na jego osnowie. Niestety, większość materiałów pełniących rolę umocnienia (kompozytów) i podwyższających odporność na kruche pękanie, jednocześnie obniża inne właściwości węglika krzemu, w tym jego twardość i maksymalną temperaturę pracy materiału. Nieustanie trwają prace nad znalezieniem idealnego rozwiązania tego problemu.

Nowe możliwości wytwarzania kompozytów pojawiły się wraz z rozwojem nanomateriałów o strukturze dwuwymiarowej, w tym grafenu. Jednak i w tym przypadku okazało się, że zastosowanie grafenu, w celu zwiększenia odporności węglika krzemu, nie jest idealnym rozwiązaniem. Związane jest to z trudnościami w otrzymaniu wysokiej jakości granicy międzyfazowej węglik krzemu/grafen, m.in. brakiem pustek czy mikropęknięć.

Innowacyjne materiały

Najnowszą i najprężniej rozwijającą się obecnie grupą nanomateriałów są fazy MXene, które otrzymywane są z faz MAX (M to metal przejściowy, A oznacza metal grupy 13 lub 12, X to azot lub węgiel). Badania wykazały, że fazy te mają potencjał do zastosowania ich w medycynie (np. w obrazowaniu medycznym), budowie nowej generacji urządzeń do magazynowania energii oraz biosensorów.

Skład chemiczny faz MXene oraz geometria zbliżona do grafenu sugeruje, że one także mogą spełniać rolę umocnienia w kompozytach na osnowie węglika krzemu. Podstawowym problemem w przypadku stosowania faz MXene do tego typu osnowy ceramicznej jest wysoka temperatura, wymagana do prawidłowego zagęszczenia osnowy ceramicznej, znacznie przewyższająca temperaturę rozkładu faz MXene. W atmosferze bogatej w tlen powyżej 300 stopni Celcjusza fazy MXene ulegają rozkładają. Badania wykazały, że kontrolując zawartość tlenu oraz wilgotność atmosfery utleniającej, a także ograniczając temperaturę i czas prowadzenia konsolidacji, można zmienić mechanizm utleniania faz MXene.

- Zależy nam, aby w wyniku prowadzonych przez nas badań uzyskać jednorodny, pozbawiony porów oraz nieciągłości interfejs, tym samym eliminując jedną z istotnych wad kompozytów umacnianych grafenem – mówi dr inż. Jarosław Woźniak z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Pierwsze rezultaty prac

Na podstawie pierwszych efektów badań, ich autorzy opublikowali opisujący je artykuł. Zgodnie z wiedzą zespołu badawczego z PW jest to pierwszy opis tworzenia struktur węglowych w osnowie węglika krzemu w wyniku utleniania faz MXene w trakcie spiekania kompozytów.

 – Opisaliśmy próby wytwarzania kompozytów na osnowie z węglika krzemu z dodatkiem fazy Ti3C2 metodą Spark Plasma Sintering oraz wyniki badań wpływu jego dodatku na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne spieków – wymienia dr inż. Jarosław Woźniak. – Dokonaliśmy również analizy struktury kompozytów po procesie spiekania, co pozwoliło nam na opisanie mechanizmów odpowiedzialnych za tworzenie się struktur węglowych w wyniku rozkładu faz MXene - dodaje.

W trakcie przeprowadzanych eksperymentów okazało się, że dodatek fazy 2D-Ti3C2 wpływa na poprawę właściwości mechaniczne węglika krzemu. Dokładna analiza wytworzonych kompozytów pozwoliła określić mechanizm odpowiedzialny za to zjawisko.

– Podczas spiekania następuje rozkład termiczny faz MXene, co skutkuje powstaniem zdefektowanych struktur grafitowych – wyjaśnia dr Woźniak. - Jest to możliwe dzięki połączeniu kilku czynników: nowatorskiej technologii spiekania, zastosowanych odpowiednich aktywatorów spiekania i precyzyjnie dostosowanych warunków spiekania. Wymienione czynniki prowadzą do wytworzenie się w przestrzeniach pomiędzy cząstkami proszków atmosfery bogatej w związki mogące odpowiadać za utlenianie MXene, co przyczynia się do powstawania zdefektowanych struktur węglowych. Obecność tych struktur w mikrostrukturze, podobnie jak w przypadku kompozytów umacnianych grafenem, prowadzi do hamowania wzrostu ziarna, co skutkuje wzrostem twardości materiału – tłumaczy.

Plany na przyszłość

W ramach dalszych prac planowane jest wykorzystanie opisanego mechanizmu utleniania faz MXene do opracowania technologii wytwarzania kompozytów ceramicznych umacnianych węglikami tytanu o strukturze dwuwymiarowej.

 

Projekt "Mechanizmy tworzenia się struktur grafitopodobnych na skutek utleniania faz MXene podczas spiekania metodą SPS w kompozytach na osnowie węglika krzemu" realizowany jest w ramach konkursu na granty badawcze Technologie Materiałowe-1.

Skład zespołu badawczego:

dr inż. Jarosław Woźniak, dr inż. Mateusz Petrus, mgr Tomasz Cygan, prof. dr hab. inż. Andrzej Olszyna

Źródło informacji: materiały nadesłane przez dr. inż. Jarosława Woźniaka