Fracture toughness of hot-pressed Si3N4-graphene composites

• Autorzy: Rutkowski P. , Stobierski L. , Górny G. , Ziąbka M. , Urbanik M.

Warianty tytułu

PL

Odporność na pękanie kompozytów grafen-Si3N4 otrzymywanych metodą prasowania na gorąco

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work concerns the influence of microstructure on fracture toughness of hot-pressed silicon nitride-graphene composites. The phase analysis was carried out to identify constituent phases of the matrix. The presence of graphene was controlled by analysis of Raman spectra, and a graphene phase distribution in the composite microstructure was studied by SEM observations with EDS analysis. The microstructural observations of fractures and polished surfaces of the composites were made to determine the arrangement of the graphene phase. The fracture toughness was measured with the use of the three-point bending test on notched beams. The results of KIC measurements were supported in interpretation by the SEM observations of the crack propagation.

PL

Praca dotyczy badań nad wpływem mikrostruktury na odporność na pękanie kompozytów grafen - azotek krzemu prasowanych na gorąco. Analizę fazową przeprowadzono w celu zidentyfikowania faz składowych osnowy. Obecność grafenu kontrolowano za pomocą spektroskopii Ramana, zaś dystrybucję grafenu w mikrostrukturze kompozytu badano metodą skaningowej mikroskopii elektronowej z analizą EDS. Obserwacje mikroskopowe przełomów i powierzchni polerowanych próbek kompozytowych wykonano w celu określenia sposobu ułożenia fazy grafenowej. Odporność na pękanie zmierzono za pomocą trójpunktowego testu zginania belek z karbem. Interpretację wyników pomiaru KIc podparto obserwacjami mikroskopowymi (SEM) propagacji pęknięć.

Słowa kluczowe

EN

Si3N4; graphene; composites; fracture toughness; crack propagation

PL

Si3N4; grafen; kompozyty; odporność na pękanie; propagacja pęknięcia

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 66, nr 4
• Strony: 463--469
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Rutkowski P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Stobierski L.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Górny G.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Ziąbka M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Urbanik M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Lee, J., Lim, S., Shin, D., Sohn, H., Kim, J., Kim, J.: Laser Assisted Machining Process of HIPed Silicon Nitride, JLMN-J Laser Micro/Nanoeng, 4, 2009, 207-211
• [2] Choi Wonbong, Jo-Won Lee: Graphene, Synthesis and Applications, CRC Press, USA, 2012.
• [3] Warner, J. H., Schaffel, F., Bachmatiuk, A., Rummeli, M. H.: Graphene, Fundamentals and emergent applications, ELSEVIER, USA, 2013.
• [4] Balandin, A. A., Ghosh, S., Bao, W., Calizo, I., Teweldebrhan, D., Miao, F., Ning Lau C., Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene, Nano Lett., 8, 2008, 902-907.
• [5] Hampshire, S.: Silicon nitride ceramics – review of structure, processing and properties, J. Achiev. Mater. Manuf. Eng., 24, 2007, 43-50.
• [6] Zhang Ying-Wei, Yu Jian-Bo, Xia Yong-Feng, Zuo Kai-Hui, Yao Dong-Xu, Zeng Yu-Ping, Ren Zhong-Ming: Microstructure and Mechanical Performance of Silicon Nitride Ceramics with Seeds Addition, J. Inorg. Mater., 27, 2012, 807-812.
• [7] Švec, P., Brusilová, A., Kozánková, J.: Effect of Microstructure and Mechanical Properties on Wear Resistance of Silicon Nitride Ceramics, Mater. Eng., 16, 2008, 34-40.
• [8] Klemm, H.: Silicon Nitride for High-Temperature Applications, J. Am. Ceram. Soc., 93, 2010, 1501–1522.
• [9] O'brien, M. J., Presser, N., Robinson, E. Y.: Failure Analysis of Three Si3N4 Balls Used in Hybrid Bearings, Aerospace Report no. TR-2003(8565)-1, Engineering and Technology Group, The Aerospace Corporation, 2003.
• [10] Tasnim Firdaus Ariff, Nurul Syamira Shafie, Zamzahariah Mahamad Zahir: Wear Analysis of Silicon Nitride (Si3N4) Cutting Tool in Dry Machining of T6061 Aluminium Alloy, Appl. Mech. Mater., 268-270, 2013, 563-567.
• [11] Hyung Sun Kim, Sang-Yeop Park, Bo Young Hur and Soo Wohn Lee: Mechanical and Thermal Properties of Silicon Nitride Hot Pressed with Adding Rare-Earth Oxides, Mater. Sci. Forum, 486-487, 2005, 181-184.
• [12] Rutkowski, P., Stobierski, L., Górny, G.: Thermal stability and conductivity of hot-pressed Si3N4–graphene composites, J. Thermal Analysis and Calorimetry, 116, 1, (2014), 321-328.
• [13] Hvizdoš, P., Dusza, J., Balázsi, C.: Tribological properties of Si3N4-graphene nanocomposites, J. Eur. Ceram. Soc., 33, 2013, 2359-2363.
• [14] Kvetkova, L., Duszowa, A., Kasiarova, M., Dorcakova, F., Dusza, J., Balázsi, C.: Influence of processing on fracture toughness of Si3N4+graphene platelet composites, J. Eur. Ceram. Soc., 33, 2013, 2299-2304.
• [15] Walker, L. S., Marotto, V. R., Rafiee, M. A., Koratkar, N., Corral, E. L.: Toughening in Graphene Ceramic Composites, ACS NANO, 5, 2011, 3182-3190.
• [16] Pfeifer, J., Sáfrán, G., Wéber, F., Zsigmond, V., Koszor, O., Arató, P., Balázsi, C.: Tribology study of silicon nitride-based nanocomposites with carbon additions, Mater. Sci. Forum, 659, 2010, 235-238.