De acuerdo con un científico de la Universidad de Rice, un poco de hBN en cerámica podría darles propiedades sobresalientes.
Rouzbeh Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, sugirió que la incorporación de láminas ultrafinas de nitruro de boro hexagonal hBN entre capas de silicatos de calcio haría un cristal bicapa interesante con propiedades multifuncionales. Estos podrían ser adecuados para la construcción y el refractariomateriales y aplicaciones en la industria nuclear, petróleo y gas, aeroespacial y otras áreas que requieren compuestos de alto rendimiento.
La combinación de los materiales haría una cerámica no solo resistente y duradera, sino también resistente al calor y a la radiación. Según los cálculos de Shahsavari, los silicatos de calcio con capas insertadas de hBN bidimensional podrían endurecerse lo suficiente como para servir como blindaje en aplicaciones nucleares como la energíaplantas
La investigación aparece en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados por ACS .
hBN bidimensional es apodado grafeno blanco y parece grafeno desde arriba, con hexágonos unidos formando un plano ultrafino. Pero hBN difiere del grafeno ya que consiste en alternar átomos de boro y nitrógeno, en lugar de carbono.
"Este trabajo muestra la posibilidad de refuerzo de material en la dimensión más pequeña posible, el plano basal de la cerámica", dijo Shahsavari. "Esto da como resultado un cristal bicapa donde hBN es una parte integral del sistema en comparación con los rellenos de refuerzo convencionales queestán conectados libremente al material del host.
"Nuestro estudio de alto nivel muestra estabilidad energética y una mejora significativa de las propiedades debido a la unión covalente, la transferencia de carga y la mezcla orbital entre hBN y silicatos de calcio", dijo.
La forma de cerámica que estudió el laboratorio, conocida como tobermorita, tiende a autoensamblarse en capas de calcio y oxígeno unidas por cadenas de silicato a medida que se seca en cemento endurecido. El estudio a escala molecular de Shahsavari mostró que hBN se mezcla bien con tobermorita,se desliza en los espacios entre las capas a medida que los átomos de boro y oxígeno se unen y abrochan las hojas planas de hBN.
Este pandeo en forma de acordeón se debe a la afinidad química y la transferencia de carga entre los átomos de boro y la tobermorita que estabiliza el compuesto y le otorga una alta resistencia y tenacidad, propiedades que generalmente se intercambian entre sí en materiales de ingeniería, dijo Shahsavari.La explicación parece ser un mecanismo de dos fases que tiene lugar cuando las capas de hBN están sometidas a tensión o tensión.
Los modelos de tobermorita y tobermorita-hBN apilados horizontalmente de Shahsavari mostraron que el material compuesto era tres veces más fuerte y aproximadamente un 25 por ciento más rígido que el material plano.Las hojas de hBN aliviaron el estrés primero desabrochándose y luego endureciéndose.
Cuando se comprimió, la tobermorita simple mostró un bajo límite elástico o módulo elástico de aproximadamente 10 gigapascales GPa con un límite elástico el punto en el que se deforma un material del 7 por ciento. El compuesto mostró un límite elástico de 25 GPa ycolar hasta un 20 por ciento.
"Un inconveniente importante de las cerámicas es que son frágiles y se rompen con un alto estrés o tensión", dijo Shahsavari. "Nuestra estrategia supera esta limitación, proporcionando una mayor ductilidad y resistencia al tiempo que mejora las propiedades de resistencia".
"Como beneficio adicional, la tolerancia térmica y a la radiación del sistema también aumenta, dando propiedades multifuncionales", dijo. "Estas características son todas importantes para evitar el deterioro de la cerámica y aumentar su vida útil, ahorrando así costos de energía y mantenimiento".
Cuando el material se probó desde otros ángulos, las diferencias entre la tobermorita pura y el compuesto fueron menos pronunciadas, pero en promedio, hBN mejoró significativamente las propiedades del material.
"En comparación con los rellenos unidimensionales como las fibras convencionales o los nanotubos de carbono, los materiales bidimensionales como el hBN tienen dos lados, por lo que tienen el doble de superficie por unidad de masa", dijo Shahsavari. "Esto es perfecto para refuerzo yadhesión a la matriz circundante "
Dijo que otros materiales bidimensionales como el disulfuro de molibdeno, el diselenuro de niobio y el hidróxido doble en capas también pueden ser adecuados para el diseño ascendente de cerámica de alto rendimiento y otros materiales compuestos multifuncionales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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