Mechanika kruchego pękania ceramiki korundowej wzmocnionej płatkami grafenowymi

• Autorzy: Boniecki M , Librant Z. , Wajler A. , Węglarz H. , Wesołowski W. , Koziński R. , Librant K. , Piątkowska A. , Romaniec M.

Warianty tytułu

EN

Fracture mechanics of graphene flake-reinforced alumina ceramics

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono rezultaty badań nad wytworzeniem kompozytów ceramiki korundowo - grafenowej. Do otrzymania próbek użyto submikronowy proszek Al₂O₃ o czystości 99,99 % firmy Taimei oraz tlenek grafenu otrzymany w Zakładzie Technologii Chemicznych ITME. Kompozyty wykonano na bazie wodnej mieszaniny obu składników stosując metodę granulacji kriogenicznej. Wykonano kompozyty o zawartości ok.: 0,02, 0,05 i 0,29 % objętości grafenu. Spektroskopia Ramana potwierdziła obecność grafenu w otrzymanych kompozytach. W pracy przeprowadzono badania wpływu udziału grafenu na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne wytworzonych kompozytów. Stwierdzono, że w funkcji zawartości grafenu zwiększa się porowatość otrzymanych próbek oraz jednocześnie zmniejsza się wielkość ziaren korundowych. Powoduje to zmniejszanie się twardości Vickersa i modułu Younga. Wytrzymałość na zginanie osiąga maksimum równe 295 ± 32 MPa dla zawartości grafenu 0,02 % objętości, a następnie maleje dla większych zawartości grafenu do wartości ~ 230 MPa odpowiadającej ceramice korundowej. Odporność na pękanie mierzona metodą zginania trójpunktowego belek z karbem wynosi około 3,9 MPam^1/2 . Zdjęcia przełamów oraz pęknięć wokół odcisków Vickersa pokazują obecność mostków grafenowych na granicach ziaren co może powodować obserwowany wzrost wytrzymałości kompozytu w porównaniu z czystą ceramiką korundową.

EN

The aim of this study was the preparation of alumina-graphene composites using commercial submicron Al₂O₃ powder (by Taimei, with a purity of 99.99 %) and graphene oxide fabricated at the Department of Chemical Technology of ITME. In order to obtain a uniform powder mixture containing graphene vol % of 0.02, 0.05 and 0.29 the aqueous suspensions were produced by freeze granulation. Raman spectroscopy confirmed the presence of graphene in the resultant composites. The influence of the graphene content on the microstructure and mechanical properties of the composites was analyzed. It was found that the porosity level increases and the grain size of the composites decreases when the graphene content rises. As a result, both Vickers hardness and Young’s modulus are decreased. Bending strength reaches its maximum level of 295 ± 32 MPa for the graphene content of 0.02 vol % and next decreases to about 230 MPa, which corresponds to the value obtained for pure alumina. Fracture toughness measured using a three point bending test for notched beams is around 3.9 MPam^1/2 . SEM pictures of the broken samples and Vickers cracks indicate the presence of graphene bridges at grain boundaries, which is likely to increase the strength of the composite when compared with that of pure corundum ceramics.

Słowa kluczowe

PL

grafen; Al2O3; kompozyt korundowo-grafenowy; granulacja; właściwości mechaniczne

EN

graphene; Al2O3; alumina-graphene composite; granulation; mechanical properties

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 41, nr 4
• Strony: 3--9
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Boniecki M

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Librant Z.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Wajler A.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Węglarz H.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Wesołowski W.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Koziński R.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Librant K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Piątkowska A.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Romaniec M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

Bibliografia

• [1] Tang D. X., Lim H. B., Lee K. J., Lee C. H., Cho W. S: Evaluation of mechanical reliability of zirconia- -toughened alumina composites for dental implants, Ceram. Int., 2012, 38, 3, 2429 - 2436
• [2] Ostertag C. P: Influence of fiber and grain bridging on crack profiles in SiC fiber-reinforced alumina-matrix composites, Mater. Sci. Eng. A, 1999, 260, 1 - 2, 124 - 131
• [3] Bocanegra - Bernal M. H., Echeberria J., Ollo J., Garcia - Reyes A., Dominguez - Rios C., Reyes - Rojas A., Aguilar - Elguezabal A.: A comparison of the effects of multi-wall and single-wall carbon nanotube additions on the properties of zirconia toughened alumina composites, Carbon, 2011, 49, 5, 1599 - 1607
• [4] Porwal H., Tatarko P., Grasso S., Khalia J., Dlouhy I., Reece M. J.: Graphene reinforced alumina nano- -composites, Carbon, 2013, 64, 359 – 369
• [5] Liu J., Yan H., Jiang K.: Mechanical properties of graphene platelet-reinforced alumina ceramic composites, Ceram. Int., 2013, 39, 6215-6221
• [6] Hummers W. S., Offeman R. E.: Preparation of graphitic oxide, J. Am. Chem. Soc., 1958, 80, 6, 1339
• [7] Fett T., Munz D.: Subcritical crack growth of macrocracks in alumina with R-curve behavior, J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 4, 958 - 963
• [8] Munro R. G.: Evaluated material properties for a sintered alpha-alumina, J. Am. Ceram. Soc., 1997, 80, 8, 1919 - 1928
• [9] Boniecki M., Karczmarz M.: Właściwości mechaniczne przeświecalnego spinelu MgAl2O4, Materiały Elektroniczne, 2012, 40, 4, 3 - 9
• [10] Anstis G. R., Chantikul P., Lawn B. R., Marshall D. B.: A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I. Direct crack measurements, J. Am. Ceram. Soc., 1981, 64, 9, 533 - 538