功能材料研究所江莞教授团队在碳纳米管增强结构陶瓷领域取得进展

近日,东华大学功能材料研究所江莞教授团队与日本东北大学以及上海硅酸盐研究所紧密合作,发现液相烧结在提升MWCNT对陶瓷基体增强效果中起到关键性作用。相关成果以《高强MWCNT/SiC复相陶瓷的液相辅助工程》(Liquid-Phase Assisted Engineering of Highly Strong SiC Composite Reinforced by Multiwalled Carbon Nanotubes)为题,发表于国际知名期刊《先进科学》(Advanced Science)。我校功能材料研究所范宇驰研究员为第一作者,上海硅酸盐研究所宋二红博士为共同第一作者,功能材料研究所兼职研究员罗维教授为共同通讯作者。

碳纳米管以其出色的刚度、强度和化学稳定性被广泛认为是工程复合材料中最有潜力的增强相之一。但是,与碳纳米管极高的本征强度相比,不论是单臂碳纳米管还是多壁碳纳米管(MWCNT)对基体材料的增强作用却非常有限。对于MWCNT增强的复相陶瓷材料,碳管与基体之间缺乏化学键合难以实现高界面剪切强度(IFSS)是MWCNT对基体材料增强作用有限的主要原因之一。 此外,MWCNT嵌套管壁间极低的抗剪强度(ISR)可导致最外壁破裂而大多数内壁完好无损,从而形成所谓的“剑-鞘”结构进一步弱化增强效果。

图1 MWCNT的分散与复相陶瓷的液相烧结 

作者利用MWCNT和陶瓷粉体的表面改性,并通过异相沉积使得极易产生缠绕团聚的MWCNT与陶瓷粉体实现了均匀混合。在1800℃下放电等离子烧结后形成了致密的复相陶瓷,断面清晰显示MWCNT在经历高温液相烧结后仍保持完整的结构和形貌。扫描透射电镜(STEM)分析证实AlYO3(YAP)相为主的液相富集于晶界,并在三叉晶界处将分散均一的MWCNT包裹起来。

 图2 MWCNT的原位拉伸及界面剪切强度测定  

利用原位拉伸测试,作者测定了液相烧结制备的复相陶瓷中CNT的界面剪切强度,发现平均IFSS值高达54.1MPa, 远高于一般的陶瓷及金属复合材料的报道值。此外,不同于一般MWCNT增强复相陶瓷中观察到的明显“剑-鞘”断裂模式,原位拉伸测试中观察到大多数MWCNT经历了完整断裂或多数碳管壁的断裂,说明ISR也得到了极大增强。

 图3 MWCNT/SiC复相陶瓷的微观结构及液相辅助增强机理图 

利用透射电镜对复相陶瓷微结构的观察发现,YAP在放电等离子过程中形成液相有利于烧结压力的传递,使MWCNT的径向弹性变形大大增加,从而导致IFSS和嵌套壁的ISR的大大提升。高温下液相优异的润湿性甚至可以渗透到MWCNT的缺陷中,形成的针状纳米颗粒卡在纳米管的层间进一步增加了MWCNT的ISR。此外,利用第一性原理计算,作者发现与SiC基体相比,含有氧原子面的YAP相显示出与纳米管表面石墨烯层更强的键合,这可能是IFSS增大的另一个原因。宏观力学测试表明,与纯SiC陶瓷相比,MWCNT质量分数仅为3%的复相陶瓷的抗弯强度提高30%,显示出液相烧结辅助下MWCNT对陶瓷基体的显著强化作用。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等的支持。

论文链接:http://dx.doi.org/10.1002/advs.202002225

撰写:范宇驰