Microstructure contrôlée et propriétés mécaniques des composites de nanocarbone à base d'Al2O3 fabriqués par méthode d'assemblage électrostatique

Introduction

Il est bien connu que l'alumine (Al₂ O₃ ) possède de bonnes propriétés telles qu'une dureté élevée, une excellente résistance à l'usure et une stabilité chimique élevée. D'autre part, les inconvénients de l'alumine sont sa mauvaise ténacité à la rupture, sa faible résistance à température élevée ainsi qu'une mauvaise résistance aux chocs thermiques [1]. Cela a suscité d'intenses recherches sur le développement de nanocomposites à base d'alumine à des échelles micro et nano. Les composites céramiques fonctionnels avec des particules nanométriques bien dispersées dans la matrice céramique améliorent non seulement les propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture, la ténacité, la fatigue et la résistance à l'usure, mais aussi les propriétés électriques, magnétiques, thermiques et optiques [2 ,3,4,5,6,7]. Afin d'améliorer et de contrôler les propriétés mécaniques des céramiques, la porosité microstructurale [8, 9], l'incorporation de charges additives [10] et les profils de traitement thermique [11, 12] ont été utilisés et rapportés. Cela montre qu'en contrôlant la microstructure de Al₂ O₃ , les propriétés mécaniques souhaitées de l'Al₂ O₃ des céramiques pourraient être obtenues. Cependant, la plupart des travaux rapportés utilisaient simplement la méthode simple de Al₂ O₃ mélange des poudres avant frittage insuffisant pour obtenir un bon contrôle de la microstructure et de la conception de l'Al₂ O₃ céramique entraînant une mauvaise contrôlabilité de ses propriétés mécaniques. Dans la formation de nanocomposite par une méthode de mélange conventionnelle, il reste un énorme défi d'obtenir une décoration homogène de particules d'additif de taille nanométrique sur une particule primaire désignée en raison de l'agglomération des particules d'additif. La répartition inégale causée par l'agglomération conduirait alors à des effets néfastes sur la conception microstructurale ainsi que sur les propriétés d'un composite céramique. Par conséquent, une nouvelle méthode via un assemblage ascendant utilisant une méthode d'adsorption électrostatique a été utilisée dans cette étude pour démontrer la faisabilité d'obtenir un bon contrôle microstructural et une bonne conception qui permettent par conséquent d'introduire les propriétés souhaitées contrôlées dans Al₂ O₃ céramiques telles que les propriétés optiques, électriques et mécaniques. Comme l'un des additifs possibles pour Al₂ O₃ des composites céramiques, diverses formes de matériaux carbonés de taille nanométrique tels que des fibres (nanotube de carbone (CNT), nanofibre) et en forme de plaque (graphène) ainsi que des particules ont été développées. Cela permet l'application de matériaux à base de carbone comme additif pour la fabrication de matériaux, ce qui a été signalé récemment.

Dans le développement d'un composite d'alumine à base de carbone, Kumari et al. ont rapporté l'amélioration de la conductivité thermique du composite nanotube de carbone (CNT)-alumine de 60 à 318% par rapport à l'alumine pure en modifiant le pourcentage en poids d'ajout de CNT et la température de frittage [4]. En outre, en raison des propriétés tribologiques exceptionnelles des matériaux composites à base de carbone pour des applications telles que la production d'électricité, le transport et la fabrication, de nombreux chercheurs ont concentré leur intérêt sur le développement de composites à base de carbone [13, 14]. Il a été rapporté que les céramiques avec des surfaces renforcées de carbone présentent une résistance à l'usure améliorée et un coefficient de friction réduit. Malgré des rapports controversés sur l'amélioration de la résistance mécanique à l'aide de nanofibres de carbone (CNF) sur l'alumine et la zircone, la plupart des auteurs ont signalé une amélioration des propriétés mécaniques. Une étude récente de CNT sur la propriété de fluage de l'alumine a tiré une conclusion opposée car il est rapporté qu'en fonction de la quantité ajoutée de CNT, la résistance au fluage pourrait être soit renforcée, soit affaiblie en raison d'un obstacle au glissement des joints de grains ou de la promotion des joints de grains. diffusion ou glissement, respectivement [15]. Pendant ce temps, Crepo et al. ont rapporté que le composite d'alumine renforcée d'oxyde de graphène présente une meilleure résistance au fluage que l'alumine renforcée de CNF [16]. De plus, en raison des excellentes propriétés lubrifiantes du graphite, les matériaux à base de carbone sont de bons candidats pour l'application de lubrifiants solides. Pendant la friction à sec, les composites à base de carbone génèrent un film lubrifiant à partir de l'exfoliation du carbone et de son incorporation aux débris de céramique sur la zone de contact affectée [13]. Cependant, la plupart des travaux rapportés impliquent l'utilisation d'un mélange unique par mélange par ultrasons de suspensions ou par un broyage mécanique conventionnel, et aucun travail n'a été démontré sur la décoration contrôlée de matériaux carbonés sur céramique conduisant à la formation de carbone à microstructure contrôlée. céramiques à base. Par conséquent, dans cette étude, CNP-Al₂ O₃ les composites ont été fabriqués à l'aide d'un assemblage d'adsorption électrostatique qui offre plus de contrôlabilité dans son assemblage et sa conception composites. L'Al₂ O₃ les microparticules utilisées dans ce travail ont été obtenues à l'aide d'une granulation témoin d'Al₂ de taille nanométrique O₃ particules. Ensuite, l'Al₂ granulé O₃ les microparticules obtenues ont été utilisées pour la formation de carbone CNP-Al₂ O₃ composite. L'étude a été menée systématiquement en faisant varier la quantité de nanosphères de carbone de 0,3, 0,6 et 1,0 vol% (pourcentage en volume) et la taille moyenne des particules d'alumine utilisées. Les propriétés mécaniques d'échantillons composites à base de carbone ont ensuite été caractérisées et comparées à un échantillon d'alumine monolithique à l'aide d'un test de flexion et d'indentation en trois points. L'inter-corrélation entre la microstructure obtenue et les propriétés mécaniques est également discutée et élucidée.

Méthodes

Des nanoparticules d'alumine d'un diamètre moyen de 150  nm ont été achetées auprès de Taimei Kagaku Kogyo Co. et utilisées comme précurseur pour obtenir des granulés d'Al₂ O₃ microparticules. La granulation a été réalisée en utilisant un séchage par pulvérisation d'un mélange d'Al₂ O₃ microparticules avec liant acrylique. L'Al₂ O₃ Les microparticules ont ensuite été tamisées pour obtenir trois diamètres moyens différents 37, 62 et 98 µm qui ont ensuite été utilisés comme particules primaires. Le CNP d'un diamètre moyen de 260  nm a été acheté auprès de Tokai Carbon Co. et utilisé comme nanoparticules additives. Le CNP étant hydrophobe et non dispersible en milieu aqueux, il a d'abord été dispersé dans une solution de SDC (désoxycholate de sodium) puis soumis à un traitement d'hydrophilisation pour le revêtement ultérieur. Quarante millilitres d'une solution de SDC à 0,1 % en poids ont été ajoutés à 1 ug de CNP et dispersés par ultrasons pendant 30 min. Ensuite, la solution a été centrifugée et lavée trois fois en utilisant de l'eau échangeuse d'ions qui a été réalisée en agitant l'eau avec un mélangeur. Après cela, la modification de la charge de surface a été effectuée en utilisant un polycation et un polyanion. Le chlorure de polydiallyldiméthylammonium (PDDA) (poids moléculaire moyen de 100 000 à 200 000, Sigma-Aldrich) et le styrènesulfonate de polysodium (PSS) en tant que polyanion (poids moléculaire moyen de 70 000, Sigma-Aldrich) ont été utilisés comme polycation et polyanion, respectivement. Après cela, les CNP recouverts de SDC ont ensuite été alternativement immergés dans PDDA, PSS et PDDA afin d'induire une charge de surface positive stable. Après le processus d'adsorption, la suspension restante a été séchée puis récupérée. Dans la première enquête, l'Al₂ O₃ des particules d'un diamètre de 62 μm ont été utilisées et la faisabilité du contrôle de la couverture CNP sur Al₂ O₃ particules a été réalisée. Le pourcentage en volume de CNP ajouté était de 0,3, 0,6 et 1,0 vol%. Dans l'enquête sur l'effet d'Al₂ O₃ taille, un ajout fixe de 0,6 vol% de CNP a été défini tandis que Al₂ O₃ des particules avec différents diamètres moyens de 37, 62 et 98  μm ont été utilisées pour la formation composite. Le CNP-Al₂ O₃ les particules composites ont d'abord été pressées uniaxialement à l'aide d'une filière d'un diamètre de 12 mm. La pression appliquée était de 300 MPa et le temps de maintien était de 5 min. Après cela, la pastille obtenue a été insérée dans une filière en graphite avec de la poudre h-BN pour le frittage à chaud (Diavac Inc. Ltd.) Le frittage à chaud a été réalisé sous une atmosphère sous vide (8 x 10 ^-3 Pa) à 1350 °C (vitesse de chauffe de 10 °C/min) pendant 2 h avec une pression de 30 MPa. Les morphologies du CNP-Al₂ O₃ les composites et la microstructure frittée obtenus ont été observés à l'aide d'un microscope électronique à balayage à émission de champ S-4800 (FE-SEM, Hitachi S-4800). Le potentiel zêta a été mesuré à l'aide d'un Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 et Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd. Quant à la détermination des propriétés mécaniques, le module d'élasticité de l'échantillon obtenu a été mesuré à l'aide d'un test de flexion en 3 points. . L'échantillon a d'abord été découpé en une feuille d'essai en forme de bande et la dimension a été affinée à l'aide d'une meuleuse de surface. La dimension de l'éprouvette préparée était de 3 × 4 × 40 mm. Après cela, le polissage a été effectué en utilisant de l'alumine de 0,5 mm et de la pâte de diamant avec une teneur de 30 et 9  μm, respectivement. Le test de flexion en 3 points a été mesuré à l'aide d'un testeur compact de type Instron. Premièrement, le stress (σ ) a été calculé en utilisant l'équation. 1 où, l , b , et h sont la distance de portée et les dimensions de chaque éprouvette, tandis que P représente la charge. Ensuite, la relation entre la contrainte et la déformation a été tracée et le module d'élasticité a été calculé à partir de la pente des moindres carrés. La vitesse de la traverse a été testée à 0,02 mm/min et la portée à 30 mm.

Les propriétés de dureté de l'échantillon composite ont ensuite été évaluées par indentation. Le pénétrateur Rockwell utilisé était constitué d'un diamant (E _je = 1050 GPa, υ = 0.20) avec un rayon de courbure nominal, R = 200 noyé dans une pointe conique avec un angle au sommet de 120°. Le pénétrateur a été placé dans un testeur de type Instron (Sanwa Instruments) et a été enfoncé à une vitesse de traverse de 0,05 mm/s à une profondeur fixe (20 m). La charge obtenue lors de l'indentation a été mesurée avec une cellule de charge (TCLZ-100KA, Tokyo Gakko), et la profondeur d'indentation a été mesurée avec un compteur de déplacement électrostatique sans contact (VE-222, Ono Sokki).

Résultats et discussion

La figure 1 montre le potentiel zêta de charge de surface de Al₂ O₃ particules et CNP après alternance de revêtements de PDDS et PSS, en conséquence. On a pu observer que l'alumine et le CNP présentaient un potentiel zêta de + 55 et - 55 mV, respectivement, après trois couches de revêtement. Le potentiel zêta atteint après trois couches de revêtement à la fois sur CNP et Al₂ O₃ microparticules était stable. Les morphologies de surface du CNP-Al₂ O₃ des composites avec différents 0,3, 0,6 et 1,0 % en volume d'ajout de CNP sont montrés dans les images SEM de la Fig. 2. À partir des images SEM à plus fort grossissement, on peut clairement observer que la quantité de CNP qui est adsorbée sur la surface d'Al ₂ O₃ particule augmentée avec un pourcentage en volume plus élevé d'ajout de CNP. Il est important de noter que les CNP sont répartis de manière homogène dans tout l'Al₂ O₃ surface sans signe d'agglomération qui présente l'avantage de la méthode EA pour obtenir une répartition régulière et uniforme. La granulométrie du CNP observé est d'environ 260 nm. En fixant l'ajout de CNP à 0.6 vol% et en faisant varier la taille de l'Al₂ O₃ microparticules de 37, 62 et 98 μm, les distributions de CNP à la surface d'Al₂ O₃ Les particules sont montrées dans les images SEM de la figure 3. D'après l'observation des images SEM, on peut voir que lorsque le diamètre de la taille des particules augmente, la quantité de CNP adsorbée sur la surface augmente en conséquence. Comme plus grand Al₂ O₃ les particules possèdent une surface globale inférieure par rapport aux plus petites Al₂ O₃ particules, la surface collective disponible pour l'adsorption du CNP est également plus faible par rapport aux plus petits Al₂ O₃ particules. Par conséquent, avec une addition constante de 0,6  vol% de CNP, une quantité plus élevée de CNP a été adsorbée sur la surface globale inférieure du plus grand Al₂ O₃ particules. En conséquence, la quantité de CNP adsorbée sur l'Al₂ O₃ on observe que la surface augmente avec la taille du diamètre de Al₂ O₃ particules qui ont conduit à une plus grande densité d'adsorption de CNP sur la surface de 98 μm Al₂ O₃ particules. D'autre part, à mesure que la taille des particules diminue, la surface globale disponible accessible pour l'adsorption de CNP sur Al₂ O₃ augmenté et par conséquent, une distribution clairsemée de CNP est observée en raison de la quantité insuffisante de CNP dans la suspension (à un 0.6 vol% fixe). La microstructure frittée obtenue à l'aide du CNP-Al₂ O₃ composite et à fort grossissement à l'interface comme le montre la figure 4. À partir de l'image SEM de la figure 4a, on peut voir que la microstructure obtenue reflète la forme du CNP-Al₂ obtenu O₃ composite. Il est à noter que les joints de grains sont connectés en formant un réseau le long des joints de grains. De l'observation du réseau de CNP qui se forme le long des joints de grains, l'homogénéité de la distribution des CNP à la surface d'Al₂ O₃ les particules peuvent être déterminées. Ce résultat montre qu'il est possible d'obtenir un matériau composite à microstructure contrôlée en concevant le précurseur composite. D'après l'image SEM à plus fort grossissement de la figure 4b, la présence d'une couche de carbone entre l'interface de l'Al₂ O₃ un joint de grain peut être observé. Cela montre que le frittage du CNP entre les Al₂ O₃ les particules pendant le frittage à chaud ont conduit à la formation d'un revêtement uniforme d'une couche de carbone le long des joints de grains. Il est également important de noter que l'Al₂ O₃ la matrice obtenue est dense et bien frittée sans observation de pores comme le montre la figure 4b. Cela est dû à la formation d'Al₂ granulé densément tassé O₃ nanoparticules (150 nm) qui permet une bonne aptitude au frittage qui a démontré la nouvelle technique de ce travail. Les modules d'élasticité du CNP-Al₂ O₃ composite obtenu à l'aide d'un essai de flexion 3 points tracé en fonction de Al₂ O₃ la taille des particules et le pourcentage de couverture de surface sont indiqués sur la figure 5. À partir de la figure 5a, le module d'élasticité présenté de l'échantillon fabriqué à l'aide d'Al₂ O₃ particules seulement est d'environ 390 GPa, ce qui est cohérent avec les résultats rapportés sur l'Al₂ polycristallin O₃ qui est comprise entre 300 et 400 GPa [6, 12]. L'atteinte de cette valeur de module d'élasticité corrobore avec l'observation SEM où une bonne microstructure et un bon compactage ont été obtenus à l'aide d'Al₂ granulé O₃ nanoparticules. Dans l'étude d'Ashizuka et al. sur l'effet de la porosité sur les propriétés mécaniques des céramiques d'alumine, le module d'élasticité de la céramique sans porosité (0%) est légèrement inférieur à environ 380 GPa [17]. Quant aux modules d'élasticité du CNP-Al₂ O₃ composites, on peut voir que la propriété pourrait être contrôlée car elle diminuait linéairement avec soit un pourcentage en volume plus élevé de CNP, soit une augmentation de l'Al₂ O₃ la taille des particules. Une tendance similaire a également été observée dans les travaux de Shin et al., où les modules d'élasticité de leurs composites d'oxyde de graphène réduit et de CNT-alumine à paroi simple ont été réduits en augmentant la teneur en additif [6]. Comme les deux facteurs (quantité de CNP et taille des particules d'Al₂ O₃ ) influence fortement la surface spécifique et conduit à une plus grande adsorption de CNP sur l'Al₂ O₃ surface des particules, cela inhiberait le frittage d'Al₂ O₃ et un effet de glissement possible de la couche de carbone a entraîné des modules élastiques inférieurs [6]. Ce résultat est cohérent avec ceux rapportés par Gopalan et al. où les NTC utilisés dans leur composite ont retardé la croissance des grains mais n'ont eu aucun effet sur le glissement des joints de grains entraînant l'apparition d'une superplasticité [15]. Ce résultat indique la possibilité de modifier et de contrôler le module d'élasticité d'un Al₂ O₃ céramique en contrôlant la formation microstructurale via la conception du composite précurseur utilisé dans la formation de CNP-Al₂ O₃ . Sur la figure 5b, le tracé des modules d'élasticité obtenus en fonction du taux de couverture CNP sur Al₂ O₃ est montré. Une corrélation linéaire entre le taux de couverture CNP et la résistance du module d'élasticité est observée, ce qui corrobore encore les résultats mentionnés ci-dessus. Par conséquent, à partir de ces résultats, il est démontré que les propriétés mécaniques d'un CNP-Al₂ O₃ La céramique composite peut être contrôlée via le taux de couverture du CNP en modifiant la quantité d'ajout de CNP ou la taille des particules d'Al₂ primaire O₃ . Dans la détermination de la micro-dureté du CNP-Al₂ O₃ échantillons composites, une comparaison entre Al₂ pur O₃ et CNP-Al₂ O₃ échantillons fabriqués avec 1,0  vol% d'ajout de CNP avec différents Al₂ O₃ des tailles de particules de 37, 62 et 98  μm ont été entreprises. Les résultats d'indentation obtenus sont présentés sur la figure 6. Les résultats obtenus montrent que l'échantillon d'alumine pure présentait la valeur de dureté la plus élevée tandis que la dureté du CNP-Al₂ O₃ échantillons composites réduits avec un plus grand Al₂ O₃ la taille des particules. Cela est dû à la surface globale inférieure de Al₂ O₃ lorsque la taille des particules augmente conduisant à une plus grande quantité de CNP adsorbé sur la surface. Par la suite, le montant plus élevé de CNP sur l'Al₂ O₃ l'interface a conduit à une dureté réduite en raison soit de l'inhibition d'un frittage efficace entre l'Al₂ O₃ interface ou le glissement de la couche continue de carbone connectée le long des joints de grains de Al₂ O_3. Par conséquent, il est crucial d'avoir une distribution contrôlée de CNP à la surface d'Al₂ O₃ afin d'induire la formation d'une microstructure souhaitée conduisant aux propriétés mécaniques souhaitées du CNP-Al₂ O₃ composite.

Potentiel zêta de l'Al₂ à charge de surface contrôlée O₃ et nanoparticules de carbone

Images SEM du a 0.3 vol%, b 0.6 vol%, et c 1.0 vol% CNP enduit sur Al₂ O₃ particule de granulation d'un diamètre moyen de 62 μm

Images SEM du 0.6 vol% CNP enduit sur Al₂ O₃ particules de granulation avec un diamètre moyen de a 37, b 62, et c 98 μm

un Microstructure de 0,6 vol% CNP-Al₂ O₃ composite en utilisant Al₂ O₃ avec un diamètre moyen de 62 μm. b Joint de grains de CNP-Al₂ O₃ composite. Une couche de carbone a pu être observée à l'interface entre l'Al₂ O₃ matrice

Modules élastiques de CNP-Al₂ O₃ composites en fonction de a taille des particules de la matrice et b Couverture CNP sur Al₂ O₃ particules

Courbes d'hystérésis de la charge d'indentation et de la profondeur de pénétration de 1,0 vol% CNP-Al₂ O₃ composites

De la charge d'indentation (P )-profondeur (h ) courbe (P -h courbe) pendant le cycle de chargement et de déchargement, le changement microstructural et le mécanisme de déformation de la surface ont pu être obtenus [18]. L'équation quadratique simple impliquant la charge d'indentation (P ) et la profondeur de pénétration (h ) montré dans l'éq. 2 peut être utilisé pour l'analyse du processus de chargement [18,19,20].

Le chargement d'Al₂ monolithique O₃ a démontré une corrélation avec le P -h courbe similaire à l'équation quadratique. 2 tandis que CNP-Al₂ O₃ composite fabriqué en utilisant Al₂ O₃ particule avec la taille de 37 et 62 μm a démontré une courbe linéaire avec déviation du monolithique Al₂ O₃ courbe de chargement, respectivement. Ceci indique la présence de CNP au sein de la microstructure (à l'interface joint de grain) qui a entraîné une déformation locale le long des joints de grain. Quant au CNP-Al₂ O₃ composite fabriqué en utilisant Al₂ O₃ avec la granulométrie 98 μm, la haute densité de CNP aux joints de grains a entraîné une discontinuité de P -h courbe d'hystérésis et a démontré la dureté la plus faible en raison de l'apparition d'un glissement de joint de grain ou d'une microfracture de surface.

Conclusions

Dans ce travail, une formation contrôlée faisable de CNP-Al₂ O₃ composite par une méthode d'adsorption électrostatique est démontrée. L'Al₂ O₃ les microparticules utilisées ont été obtenues par granulation d'Al₂ de taille nanométrique (150 nm) O₃ particules qui ont permis un meilleur compactage et une meilleure aptitude au frittage. Dans la formation de céramiques composites, paramètres impliquant la quantité de CNP (0,3, 0,6, 1,0 vol%) et d'Al₂ granulé primaire O₃ les tailles des microparticules (37, 62, 92 m) ont été étudiées. Il est démontré qu'en contrôlant la quantité d'additifs CNP et Al₂ O₃ taille des microparticules, différentes couvertures de surface ont pu être obtenues, conduisant à une formation contrôlée de microstructures avec différentes propriétés mécaniques. Utilisation du CNP-Al₂ homogène O₃ composite, une couche de carbone interconnectée continue a été obtenue le long des joints de grains d'Al₂ O₃ . Un Al₂ dense et compact O₃ matrice a également été observée en raison du bon frittage de Al₂ O₃ nanoparticules. A partir des résultats d'un test de flexion 3 points et d'indentation, le contrôle des propriétés mécaniques a été démontré en ajustant la couverture de CNP sur Al₂ O_3. Le changement de module d'élasticité était soit dû à l'inhibition d'un frittage efficace, soit au glissement de la couche de carbone généré au niveau de l'Al₂ O₃ interface. A partir de cette étude, nous avons démontré la faisabilité de la conception microstructurale des céramiques avec une interface interconnectée en utilisant CNP-Al₂ O₃ composite. Cette méthode de conception microstructurale ouvrira de plus grandes possibilités et un plus grand potentiel pour la conception de matériaux via un assemblage ascendant afin d'induire les propriétés souhaitées pour un large éventail d'applications.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié (et ses fichiers d'informations supplémentaires).

Historique des modifications

Abréviations

CNP :

Nanoparticules de carbone

PDDA :

Chlorure de polydiallyldiméthylammonium

PSS :

Styrènesulfonate de polysodium

SDC :

Désoxycholate de sodium

SEM :

Microscope électronique à balayage