東華大學江莞教授團隊在碳納米管增強結構陶瓷領域取得進展

2020-09-29 小材科研

近日，東華大學功能材料研究所江莞教授團隊與日本東北大學以及上海矽酸鹽研究所緊密合作，發現液相燒結在提升MWCNT對陶瓷基體增強效果中起到關鍵性作用。相關成果以《高強MWCNT/SiC復相陶瓷的液相輔助工程》(Liquid-Phase Assisted Engineering of Highly Strong SiC Composite Reinforced by Multiwalled Carbon Nanotubes)為題，發表於國際知名期刊《先進科學》(Advanced Science)。功能材料研究所範宇馳研究員為第一作者，上海矽酸鹽研究所宋二紅博士為共同第一作者，功能材料研究所兼職研究員羅維教授為共同通訊作者。

碳納米管以其出色的剛度、強度和化學穩定性被廣泛認為是工程複合材料中最有潛力的增強相之一。但是，與碳納米管極高的本徵強度相比，不論是單臂碳納米管還是多壁碳納米管（MWCNT）對基體材料的增強作用卻非常有限。對於MWCNT增強的復相陶瓷材料，碳管與基體之間缺乏化學鍵合難以實現高界面剪切強度（IFSS）是MWCNT對基體材料增強作用有限的主要原因之一。此外，MWCNT嵌套管壁間極低的抗剪強度（ISR）可導致最外壁破裂而大多數內壁完好無損，從而形成所謂的「劍-鞘」結構進一步弱化增強效果。

圖1 MWCNT的分散與復相陶瓷的液相燒結

作者利用MWCNT和陶瓷粉體的表面改性，並通過異相沉積使得極易產生纏繞團聚的MWCNT與陶瓷粉體實現了均勻混合。在1800℃下放電等離子燒結後形成了緻密的復相陶瓷，斷面清晰顯示MWCNT在經歷高溫液相燒結後仍保持完整的結構和形貌。掃描透射電鏡（STEM）分析證實AlYO3（YAP）相為主的液相富集於晶界，並在三叉晶界處將分散均一的MWCNT包裹起來。

圖2 MWCNT的原位拉伸及界面剪切強度測定

利用原位拉伸測試，作者測定了液相燒結製備的復相陶瓷中CNT的界面剪切強度，發現平均IFSS值高達54.1MPa, 遠高於一般的陶瓷及金屬複合材料的報導值。此外，不同於一般MWCNT增強復相陶瓷中觀察到的明顯「劍-鞘」斷裂模式，原位拉伸測試中觀察到大多數MWCNT經歷了完整斷裂或多數碳管壁的斷裂，說明ISR也得到了極大增強。

圖3 MWCNT/SiC復相陶瓷的微觀結構及液相輔助增強機理圖

利用透射電鏡對復相陶瓷微結構的觀察發現，YAP在放電等離子過程中形成液相有利於燒結壓力的傳遞，使MWCNT的徑向彈性變形大大增加，從而導致IFSS和嵌套壁的ISR的大大提升。高溫下液相優異的潤溼性甚至可以滲透到MWCNT的缺陷中，形成的針狀納米顆粒卡在納米管的層間進一步增加了MWCNT的ISR。此外，利用第一性原理計算，作者發現與SiC基體相比，含有氧原子面的YAP相顯示出與納米管表面石墨烯層更強的鍵合，這可能是IFSS增大的另一個原因。宏觀力學測試表明，與純SiC陶瓷相比，MWCNT質量分數僅為3％的復相陶瓷的抗彎強度提高30％，顯示出液相燒結輔助下MWCNT對陶瓷基體的顯著強化作用。該工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目等的支持。

來源：東華大學

論文連結：

http://dx.doi.org/10.1002/advs.202002225

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