07.12.2018 - Osaka University

Multifunktionale traumhafte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe sind geboren!

Keramische Matrix mit elektrischer Leitfähigkeit und photokatalytischer Aktivität

Forscher der Universität Osaka produzierten Verbundwerkstoffe aus Aluminiumoxid (AI2O3) und Titan (Ti). Sie entwarfen eine Perkolationsstruktur zur Bildung eines kontinuierlichen Leitungsweges durch Dispergieren feiner Ti-Partikel in eine AI2O3-Matrix, Optimierung der Partikelgröße von metallischem Ti-Pulver und Sinterprozesse. Sie verbesserten die Bruchzähigkeit und elektrische Leitfähigkeit von AI2O3/Ti-Verbundwerkstoffen und verliehen ihnen gleichzeitig photokatalytische Fähigkeiten durch chemische und/oder thermische Behandlung.

Verschiedene Arten von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen wurden erforscht und entwickelt, aber ihre Kombination und Feinstruktur waren begrenzt. Insbesondere die Kombination von Keramiken wie Aluminiumoxid als Matrix und Titan, einem biokompatiblen Metall, hat ein Problem, da die Struktur von Verbundwerkstoffen aufgrund der hohen Reaktivität von Titan (Oxidation tritt ein und es entstehen chemische Verbindungen) und der großen Partikelgröße von handelsüblichem Ti-Pulver (mehrere Dutzend Mikrometer) nicht einheitlich ist. So war es schwierig, Verbundwerkstoffe herzustellen, die sowohl keramische als auch metallische Vorteile haben: Verbundwerkstoffe, bei denen metallisches Ti-Pulver homogen in der Matrix dispergiert ist und hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist.

Die Gruppe stellte kugelmahlenes Titanhydrid (TiH2) als feines Pulver her, das mit Aluminiumoxidpulver vermischt war, wobei AI2O3/Ti-Verbundwerkstoffe unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt wurden, das auf der in situ-Zersetzung von TiH2 zu Ti und dem gleichzeitigen Sintern mit AI2O3 basiert, wobei das Verfahren die Auflösung von AI2O3 zu Ti durch Diffusion durch Grenzflächenreaktion zwischen AI2O3 und Ti während des Sinterns verhinderte. Als Ergebnis minimierten sie die Reaktivität von Ti und AI2O3, um deutlich feineres und homogeneres Ti (im Vergleich zu den mit herkömmlichen Methoden hergestellten) in AI2O3 zu dispergieren, und realisierten Verbundwerkstoffe mit einer Perkolationsstruktur durch Kontrolle des Gehalts an zugesetztem Ti.

Auf diese Weise verbesserte die Gruppe die Bruchzähigkeit von inhärent sprödem AI2O3 durch Dispersion feiner Ti-Partikel in AI2O3 und trug durch Perkolation von metallischen Ti-Partikeln zur elektrischen Leitfähigkeit der Isolatorkeramik AI2O3 bei. Sie zeigten auch, dass AI2O3-Keramik durch Funkenerosion wie Metalle bearbeitet werden kann. (In der Regel sind Keramiken nicht elektrisch leitfähig.) Darüber hinaus bildeten sie auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs eine nanoporöse oder nanorodstrukturierte Titandioxidschicht, indem sie Ti selektiv durch NaOH-Behandlung und/oder Wärmebehandlung oxidierten. Damit zeigten sie, dass die photokatalytische Fähigkeit zum Abbau organischer Substanzen auch gleichzeitig an AI2O3/Ti-Verbundwerkstoffe weitergegeben werden kann.

Gruppenleiter Tohru Sekino sagt: "AI2O3/Ti-Verbundwerkstoffe werden als keramische Matrix-Verbundwerkstoffe eingesetzt, die hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen und durch Funkenerosion bearbeitet werden können. Sie werden auch für Industrieprodukte und Biomaterialien als neue multifunktionale Verbundwerkstoffe eingesetzt, die eine aktive Oberflächenschicht mit antibakteriellen Eigenschaften und einer photokatalytischen Fähigkeit zum Abbau von Schadstoffen aufweisen."

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