对陶瓷材料的新理解可以揭示改善太阳能电池板，超导体和生物医学植入物的方法

时间：2021-10-07 15:52:22 来源：

辐射后的碳化硅，其中松散的碳原子（绿色）朝向结晶陶瓷颗粒之间的边界（虚线）移动。

当大多数人想到陶瓷时，他们可能会设想他们最喜欢的杯子或花盆。但现代技术充满了先进的陶瓷，从硅太阳能电池板到陶瓷超导体和生物医学植入物。

许多先进的多晶陶瓷是结晶颗粒的组合，在微观水平上类似于与石灰石砂浆一起保持的石栅栏。与那个围栏一样，陶瓷的强度由砂浆的强度决定 - 其中陶瓷是晶界，或不同颗粒相遇的区域。

此前，大多数研究人员认为，陶瓷中这些晶界的化学性非常稳定。但材料科学工程师在威斯康星大学 - 麦迪逊的新研究表明这不是这种情况。事实上，在重要的陶瓷材料碳化硅中，当材料暴露于辐射时，碳原子在那些晶界处收集。该发现可以帮助工程师更好地了解陶瓷的性质，并有助于微调新一代陶瓷材料。

该研究的细节于2020年5月25日在自然材料中发表。

自20世纪70年代以来，研究人员已经了解了金属合金中类似的辐射诱导的偏析。因为金属原子自由共享电子，所以它们能够容易地混合和外部缀。当通过离子辐射轰击它们时，金属中的一些原子将流出，并且朝向晶界移动，并且如果不同类型的原子以不同的速率移动，则可以改变合金的化学物质。

陶瓷中的原子非常有选择性，它们与它们粘合的邻居和粘合剂比金属更强烈。这就是为什么研究人员认为这些原子不受相同类型的隔离的影响。但是，当Izabela Szlufarska是UW-Madison的材料科学和工程教授时，开始仔细观察碳化硅的晶界，这不是她发现的。

“在碳化硅中，硅和碳真的想要在一起;他们想成为50％的碳和50％的硅，“她说。

然而，当她的团队运行模拟并成像谷物边界时，碳浓度仅为界限仅为45％。“化学真的很突出，”她说。“这是第一个惊喜，因为这种材料真的想要有序原子。”

这表明碳化硅也可能易于辐射诱导的偏析。所以Szlufarska和她的团队用离子辐射轰炸了物质，发现300摄氏度和600摄氏度之间，晶界经历了碳富集。

在那些能量水平时，辐射导致一些碳原子弹出，在碳化硅中产生一对缺陷，包括称为空位的空穴点和称为间隙的松散碳原子。那些未连接的间隙原子迁移到它们积累的晶界，影响材料的化学。

除了研究人员根本不相信这种类型的隔离可能发生在陶瓷中，Szlufarska表示，直到最近，他们也缺乏甚至调查现象的工具。在锻造和制备碳化硅双晶的制备后，在UW-MEDISON和OAK RIDGE国家实验室进行的最先进的扫描透射电子显微镜允许该团队沿着晶界解决化学成分。

该团队认为，其他多晶陶瓷也可能发生这种现象。该过程是一把双刃剑：一方面，辐射诱导的分离装置陶瓷经受与金属合金的晶界相同类型的损伤和劣化，但在不同的温度下。另一方面，偏析可用于材料工程，以生产碳化硅等陶瓷等专业版，其用于核能，喷气发动机和其他高科技应用。

“也许辐射可以用作微调谷物边界化学的工具，”兴王说，宾夕法尼亚州立大学教授，在研究中，在研究博士学位的同时致力于博士学位。“这对我们来说可能有用。”

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参考：“陶瓷辐射诱导的隔离”邢王，兴王，洪凉张，汤江，郝江，郑柳，盈新关，奥马尔·埃鲁克，托马斯库克，丹麦根，胡安卡洛斯·伊罗伯，保罗M.Voyles和Izabela Szlufarska， 2020年5月25日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-0683-y

本研究由美国能源部（DE-FG02-08ER46493）和国家科学基金会（DMR-1720415）提供支持。

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