Rice Üniversitesi’nden bir bilim adamının yaptığı araştırmalara göre, seramiklerdeki küçük bir altıgen bor nitrür (hBN), onlara üstün nitelikler verebilecek.
İnşaat ve çevre mühendisliği asistanı Rouzbeh Shahsavari, kalsiyum silikat tabakaları arasında ultra ince altıgen bor nitrür (hBN) tabakalarının eklenmesinin çok fonksiyonlu özelliklere sahip ilginç bir iki katmanlı kristal yapacağını öngörmektedir. Bunlar nükleer sanayi, petrol ve gaz, havacılık ve yüksek performanslı kompozisyon gerektiren diğer alanlardaki inşaat ve refrakter malzemeler ve uygulamalar için uygun olabilecek.
Dayanıklı Seramik
Malzemeleri birleştirmek, sadece sert ve dayanıklı olmakla kalmayıp aynı zamanda ısıya ve radyasyona dayanıklı bir seramik oluşturacak. Shahsavari’nin hesaplamalarına göre, iki boyutlu hBN katmanlarına sahip kalsiyum-silikatlar, enerji santralleri gibi nükleer uygulamalarda koruyucu olarak kullanılmak üzere yeterince sertleşiyorlar.
İki boyutlu hBN, beyaz grafen olarak adlandırılır ve bağlantılı altıgenler ultra ince bir düzlem oluşturan, yukarıdan grafene benzemektedir. Ancak hBN, karbon ve atomlardan ziyade dönüşümlü bor ve azottan oluştuğundan grafenden farklıdır.
Shahsavari, “Bu çalışma mümkün olan en küçük boyutta maddi takviye olasılığını, seramiğin temel düzlemini gösteriyor. Bu, hBN‘nin, ev sahibi malzemeye gevşek bağlanan geleneksel takviye dolgu maddeleri yerine, sistemin ayrılmaz bir parçası olduğu iki katmanlı bir kristale neden olur. Yüksek seviye çalışmamız, hBN ve kalsiyum silikatlar arasındaki kovalent bağlanma, yük transferi ve orbital karışımı sayesinde enerji kararlılığı ve belirgin dayanıklılık artışını gösteriyor” dedi.
Laboratuarda incelenen, tobermorite olarak bilinen seramik form, sertleştirilmiş çimentoyla kurutulduğunda silikat zincirleri tarafından bir araya getirilen kalsiyum ve oksijen tabakalarında kendi kendine toplanma eğilimindedir. Shahsavari’nin moleküler ölçekli çalışması, hBN‘nin tobermorit ile iyi karıştığını, bor ve oksijen atomları bağlandığında katlar arasındaki boşluklara kaydığını ve düz hBN tabakalarının eğildiğini gösterdi.
Shahsavari’ye göre, bu akordiyon benzeri eğilme, bor atomları ve tobermorit arasındaki kimyasal afinite ve şarj transferinden kaynaklandığından, kompozitleri stabilize eden ve yüksek dayanıklılığa ve eğilime sahip olan, mühendislik malzemelerinde genellikle birbirlerine göre değişen özellikler taşıyor. Açıklama, hBN katmanları zorlanma veya strese maruz kaldığında gerçekleşen iki fazlı bir mekanizma gibi görünüyor.
Tobermoit ve Seramik
Shahsavari’nin yatay olarak tobermorit ve tobermorite-hBN yığılmış modelleri, kompozitten üç kat daha kuvvetli olduğunu ve düz malzemeden yüzde 25 daha sert olduğunu gösterdi. Hesaplamalı analiz yapıldığında, tobermorite‘deki silikat zincirleri eksenleri boyunca döndürmek zorunda bırakıldıklarında başarısız oldukları halde, hBN tabakaları stresini ilk önce sırt üstü büzülüp sertleştirerek azalttı.
Sıkıştırıldığında, düz tobermorit bir verim gerinimi (bir maddenin deforme olduğu nokta)% 7 ile yaklaşık 10 gigapaskal (GPa) düşük bir akma dayanıklılığı(veya elastik modül) göstermiştir. Bileşik, 25 GPa‘lık akma dayanıklılığı ve yüzde 20’ye kadar gerinim sergiledi.
Shahsavari, “Seramiğin en büyük dezavantajı, yüksek gerilme veya zorlanma üzerine parçalanmalarıdır. Stratejimiz, dayanıklılığı arttırırken, sürekliliği ve eğilimini arttırarak bu sınırlamayı aşıyor. Bonus olarak, sistemin termal ve radyasyon toleransı da artmakta, çok fonksiyonlu özellikler yaratmaktadır. Bu özellikler, seramiğin bozulmasını önlemek ve ömrünü uzatmak için önemlidir, böylece enerji ve bakım masraflarından tasarruf edilir” dedi.
Malzeme diğer açılardan test edildiğinde saf tobermorit ile kompozit arasındaki farklar daha az belirginleşti, ancak ortalama olarak hBN, maddenin özelliklerini önemli derecede geliştirdi.
Shahsavari “Konvansiyonel elyaflar veya karbon nanotüpleri gibi bir boyutlu dolgu maddeleri ile karşılaştırıldığında, hBN gibi iki boyutlu malzemeler iki taraflı, bu nedenle birim kütle başına iki kat daha yüzey alanına sahipler.” dedi.
Bu, takviye ve çevresindeki matrise yapışmak için mükemmel olduğunu, molibden disülfür, niyobyum diselenid ile çift katmanlı hidroksit gibi diğer 2D malzemeler de yüksek performanslı seramiklerin ve diğer çok fonksiyonlu kompozit malzemelerin aşağıdan yukarıya tasarımı için uygun olabileceklerini belirtti.
