Многие из этих передовых поликристаллических керамик представляют собой комбинации кристаллических зерен, которые на микроскопическом уровне напоминают каменный забор, скрепленный известняковым раствором. Подобно этому забору, прочность керамики определяется прочностью раствора, которая в керамике является границей зерен или областями, где встречаются различные зерна.
Раньше большинство исследователей считали, что химический состав границ зерен в керамике очень стабильный. Но новое исследование инженеров-материаловедов из Университета Висконсин-Мэдисон показывает, что это не так. Фактически, в важном керамическом материале карбиде кремния атомы углерода собираются на этих границах зерен, когда материал подвергается воздействию излучения.
Это открытие может помочь инженерам лучше понять свойства керамики и помочь в точной настройке нового поколения керамических материалов.
Подробности исследования опубликованы сегодня в журнале Nature Materials.
С 1970-х годов исследователи знали об аналогичной радиационно-индуцированной сегрегации в металлических сплавах. Поскольку атомы металлов свободно обмениваются электронами, они могут легко смешиваться и расщепляться.
Когда они подвергаются бомбардировке ионным излучением, некоторые атомы в металлах выскакивают с места и перемещаются к границам зерен, и если разные типы атомов движутся с разной скоростью, химический состав сплава может измениться.
Атомы в керамике очень избирательны в отношении того, с какими соседями они связаны, и эти связи намного прочнее, чем в металлах. Вот почему исследователи полагали, что эти атомы не подвержены одинаковому типу сегрегации.
Но когда Изабела Шлуфарска, профессор материаловедения и инженерии в UW-Madison, начала внимательно изучать границы зерен карбида кремния, она обнаружила не это.
«В карбиде кремния кремний и углерод действительно хотят быть соединенными вместе; они хотят, чтобы на 50% состоял углерод и на 50% кремний», – говорит она.
Однако, когда ее команда провела моделирование, а также визуализировала границы зерен, концентрация углерода на границах составила всего 45 процентов. "Химия была просто неуместной", – говорит она. "Это был первый сюрприз, так как этот материал действительно хочет, чтобы атомы упорядочены."
Это предполагает, что карбид кремния также может быть подвержен радиационно-индуцированной сегрегации. Итак, Шлуфарска и ее команда подвергли вещество ионному излучению и обнаружили, что между 300 и 600 градусами Цельсия границы зерен обогащаются углеродом.
На этих уровнях энергии излучение заставляет некоторые атомы углерода выскакивать не на свои места, создавая пару дефектов в карбиде кремния, включая пустое место, называемое вакансией, и свободный атом углерода, называемый межузельным. Эти непривязанные межузельные атомы мигрируют к границам зерен, где они накапливаются, влияя на химию материала.
Помимо того факта, что исследователи просто не верили, что этот тип сегрегации может иметь место в керамике, Шлуфарска говорит, что до недавнего времени у них также не было инструментов, чтобы даже исследовать это явление.
После кропотливого изготовления и подготовки бикристаллов карбида кремния современная сканирующая просвечивающая электронная микроскопия, проведенная в Национальной лаборатории UW-Madison и Oak Ridge, позволила команде определить химический состав по границам зерен.
Команда считает, что это явление может возникнуть и в другой поликристаллической керамике. Этот процесс – палка о двух концах: с одной стороны, сегрегация, вызванная излучением, означает, что керамика подвержена тем же видам повреждений и разрушения на границах зерен, что и металлические сплавы, хотя и при разных температурах.
С другой стороны, сегрегация может быть полезна в материаловедении для производства специализированных версий керамики, таких как карбид кремния, который используется в ядерной энергии, реактивных двигателях и других высокотехнологичных приложениях.
«Возможно, излучение можно использовать в качестве инструмента для точной настройки химии границ зерен», – говорит Син Ван, соавтор исследования и профессор Университета штата Пенсильвания, который работал над исследованием, одновременно получая докторскую степень в UW-Madison. "Это может пригодиться нам в будущем."
Работа поддержана грантами U.S. Министерство энергетики (DE-FG02-08ER46493) и Национальный научный фонд (DMR-1720415).