По словам ученых из университета Райса, небольшое количество гексагональных листов нитрида бора в керамике может придать ей выдающиеся свойства.
Рузбех Шахвасари (Rouzbeh Shahsavari), помощник профессора гражданской и экологической инженерии, предположил, что включение ультратонких гексагональных листов нитрида бора (hBN) между слоями силикатов кальция создаст интересный двухслойный кристалл с многофункциональными свойствами. Они могут быть пригодны для строительных и огнеупорных материалов, применений в ядерной промышленности, нефтегазовой, аэрокосмической и других областях, требующих высокопроизводительных композитов.
Белый графен (средний слой) в сочетании с силицитом кальция создает многофункциональную керамику с высокой прочностью и вязкостью.
Illustration by Rouzbeh Shahsavari
Сочетание материалов сделало бы керамику не только прочной и долговечной, но и устойчивой к теплу и радиации. По расчетам Шахсавари, силикаты кальция с добавленными слоями двумерного hBN могут быть достаточно прочными, чтобы служить защитой в ядерных приложениях, таких как электростанции.
Исследование появилось в журнале American Chemical Society ACS Applied Materials and Interfaces.
Двумерный hBN называется белым графеном и выглядит как графен сверху, со связанными шестиугольниками, образующими ультратонкую плоскость. Но hBN отличается от графена тем, что он состоит из чередующихся атомов бора и азота, а не атомов углерода.
«Эта работа показывает возможность укрепления материала при его минимально возможном размере, базальной плоскости керамики», - сказал Шахсавари. - «Это приводит к образованию двухслойного кристалла, где hBN является неотъемлемой частью системы, в отличие от обычных армирующих наполнителей, которые слабо связаны с основным материалом».
«Наше исследование показывает энергетическую стабильность и значительное улучшение свойств благодаря ковалентному связыванию, переносу заряда и орбитальному перемешиванию между hBN и силикатами кальция», - сказал он.
Форма керамики, изученная лабораторией, известна как тоберморит. Исследование на молекулярном уровне показало, что hBN хорошо смешивается с тоберморитом, скользит в промежутки между слоями, когда атомы бора и кислорода связываются.
Это связано с химическим сродством и переносом заряда между атомами бора и тоберморитом, который стабилизирует композит и придает ему высокую прочность и вязкость. Объясняется это двухфазным механизмом, который имеет место, когда слои hBN подвергаются деформации или напряжению.
Модели с горизонтально уложенными тоберморитом и тоберморитом-hBN показали, что композит был в три раза прочнее и примерно на 25 процентов более жестким, чем простой материал. Вычислительный анализ показал, почему. В то время как силикатные цепочки в тоберморите разрушались при вращении вдоль их осей, листы hBN снимали напряжение, сначала расстягивая, а затем сжимая.
При сжатии обычный тоберморит показал низкую текучесть (или модуль упругости) около 10 ГПа. Композит показал предел текучести 25 ГПа.
Когда материал испытывали под другим углом, различия между чистым тоберморитом и композитом были менее выраженными, но в среднем hBN значительно улучшал свойства материала.
Другие двухмерные материалы, такие как дисульфид молибдена, диселенид ниобия и слоистый двойной гидроксид, также могут быть пригодны для высокоэффективной керамики и других многофункциональных композиционных материалов.
Источник: http://news.rice.edu/2018/01/11/white-graphene-makes-ceramics-multifunctional-2/