Over the past half century ceramics

Over the past half century ceramics have received significant attention as candidate materials for use as structural materials under conditions of high loading rates, high temperature, wear, and chemical attack that are too severe for metals. However, inherent brittleness of the ceramics has prevented their wide use in different applications.

Significant scientific effort has been directed towards making ceramics more flaw-tolerant through design of their microstructures by incorporation of fibers or whiskers which bridge the crack faces just behind the crack tip; by designing microstructures with elongated grains which act as bridges between crack faces just behind the crack tip; by incorporating second phase particles which deflect the crack making it travel a more tortuous path; and by incorporating secondary phases which undergo stress induced volume expansion that forces the crack faces together. However, one of the most recent development has been the distribution of multiple phases in a ceramic composite at the nanoscopic length scale. Owing to prevalence of nanoscopic features, such composites are referred to as ceramic nanocomposites.

The definition of nanocomposite material has broadened significantly to encompass a large variety of systems such as one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional and amorphous materials, made of distinctly dissimilar components and mixed at the nanometer scale. The general class of nanocomposite organic/inorganic materials is a fast growing area of research. Reducing the sizes of structural features in materials leads to a significant increase in the portion of surface/interface atoms.

The surface/interface energies essentially control the properties of a solid. Interfaces provide a means to introduce non-homogeneity in the material. This non-homogeneity acts as a significant modification of both thermal and mechanical properties of the composites. Selective mixing of materials in a highly tailored morphology with high percentage of interface area, leads to materials with enhanced properties.

The properties of nano-composite materials depend not only on the properties of their individual parents but also on their morphology and interfacial characteristics. The nanocomposites find their use in various applications because of the improvements in the properties over the simpler structures. Few of such advantages can be summarized as:

Improved Mechanical properties e.g. strength, modulus and dimensional stability
Decreased permeability to gases, water and hydrocarbons
Higher Thermal stability and heat distortion temperature
Higher Flame retardancy and reduced smoke emissions
Higher Chemical resistance
Smoother Surface appearance
Higher Electrical conductivity
For components used in a gas turbine engine, a lifetime upto 10000 h and a retained strength of ~300 MPa at a temperature of 1400 °C have been postulated, together with negligible creep rate. Furthermore, at elevated temperatures, the material must exhibit high resistance to thermal shock, oxidation, and subcritical crack growth. Ceramic nanocomposites have been shown to be extremely important for such future applications.

Advanced bulk ceramic composite materials that can withstand high temperatures (>1500 °C) without degradation or oxidation can also be used for applications such as structural parts of motor engines, catalytic heat exchangers, nuclear power plants, and combustion systems, besides their use in fossil energy conversion power plants. These hard, high-temperature stable, oxidation-resistant ceramic composites and coatings are also in demand for aircraft and spacecraft applications.

One such material system in this class of composites, Silicon Carbide/Silicon Nitride (SiC/Si3N4) composites, have been shown to perform very well under high temperature oxidizing conditions. Interest in such nanocomposites started with experiments of Niihara2 who reported large improvements in both the fracture toughness and the strength of materials by embedding nanometer range (20-300 nm) particles within a matrix of larger grains and at the grain boundaries. A 200% improvement in both strength and fracture toughness, better retention of strength at high temperatures, and better creep properties were observed.

An advanced nanocomposite microstructure such as that of polycrystalline Silicon Carbide (SiC)-Silicon Nitride (Si3N4) nanocomposites, Figure 1, contains multiple length scales with grain boundary (GB) thickness of the order of 50 nm, SiC particle sizes of the order of 200-300 nm and Si3N4 grain sizes of the order of 0.8 to 1.5 µm1. Designing the microstructure of such a composite (and similar others such as TiN-Si3N4, SiC-Al2O3, SiC-SiC, Graphene/CNT+SiC, and Carbon Fiber+SiC nanocomposites) for a targeted set of material properties is, therefore, a daunting task. Since the microstructure involves multiple length scales, multiscale analyses based material design is an appropriate approach for such a task

Kết quả (Việt) 1:

Trong nửa thế kỷ qua gốm sứ đã nhận được sự chú ý đáng kể như là ứng cử viên vật liệu để sử dụng như là các vật liệu cấu trúc dưới điều kiện của áp lực tỷ giá, nhiệt độ cao, mặc, và tấn công hóa học quá nghiêm trọng cho các kim loại. Tuy nhiên, vốn có giòn của gốm sứ đã ngăn cản họ sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau.Nỗ lực khoa học đáng kể đã được đạo diễn hướng làm cho gốm sứ lỗ hổng-khoan dung hơn thông qua các thiết kế của microstructures của họ bằng cách kết hợp của sợi hoặc râu mà thu hẹp khuôn mặt crack chỉ phía sau đầu crack; bởi thiết kế microstructures với hạt thuôn dài mà hành động như là cây cầu giữa crack khuôn mặt đằng sau đầu crack; bằng cách kết hợp hạt giai đoạn thứ hai mà làm chệch hướng làm crack nó đi du lịch một con đường quanh co hơn; và bằng cách kết hợp giai đoạn thứ cấp mà trải qua sự căng thẳng gây ra khối lượng mở rộng mà các lực lượng mặt crack với nhau. Tuy nhiên, một trong phát triển gần đây nhất đã là phân phối nhiều giai đoạn trong một hỗn hợp gốm ở quy mô chiều dài nanoscopic. Do sự phổ biến của nanoscopic tính năng, các vật liệu tổng hợp được gọi là gốm nanocomposites.Định nghĩa của nanocomposite vật liệu đã mở rộng đáng kể để bao gồm nhiều hệ thống chẳng hạn như vật liệu chiều, hai chiều, ba chiều và vô định hình, tạo thành phần khác nhau rõ rệt và trộn lẫn ở quy mô nanomet. Lớp vật liệu hữu cơ/vô cơ nanocomposite, nói chung là một khu vực đang phát triển nhanh chóng của nghiên cứu. Giảm các kích thước của các tính năng cấu trúc trong vật liệu dẫn tới sự gia tăng đáng kể trong phần của bề mặt/giao diện nguyên tử.Các nguồn năng lượng bề mặt/giao diện cơ bản kiểm soát các thuộc tính của một chất rắn. Giao diện cung cấp một phương tiện để giới thiệu phòng không-tính đồng nhất trong vật liệu. Này không-tính đồng nhất có vai trò như là một thay đổi đáng kể của nhiệt và cơ khí tài sản của các vật liệu tổng hợp. Chọn lọc pha trộn của các vật liệu trong một hình thái rất phù hợp với tỷ lệ phần trăm cao của giao diện tích, dẫn đến các vật liệu với thuộc tính nâng cao.Các tính chất của vật liệu nano-hỗn hợp phụ thuộc không chỉ vào các đặc tính của cha mẹ cá nhân mà còn trên đặc điểm hình Thái và interfacial của họ. Các nanocomposites tìm thấy sử dụng của họ trong các ứng dụng vì những cải tiến trong các thuộc tính trên các cấu trúc đơn giản hơn. Vài trong số những lợi thế có thể được tóm tắt như:Cải thiện tính chất cơ học như sức mạnh, mô đun và sự ổn định chiềuCác tính thấm giảm khí, nước và hydrocarbonCao nhiệt độ ổn định và nhiệt độ biến dạng nhiệt độCao ngọn lửa retardancy và giảm lượng khí thải khóiCao sức đề kháng hóa chấtSự xuất hiện bề mặt mượt màCao độ dẫn điệnCho các thành phần được sử dụng trong một động cơ khí, một tối đa suốt đời 10000 h và một sức mạnh giữ lại của ~ 300 MPa ở nhiệt độ 1400 ° C đã được tiên đoán, cùng với tỷ lệ leo không đáng kể. Hơn nữa, ở nhiệt độ cao, các tài liệu phải thể hiện sức đề kháng cao để sốc nhiệt, quá trình oxy hóa, và tăng trưởng subcritical crack. Gốm nanocomposites đã được chỉ ra là cực kỳ quan trọng cho các ứng dụng trong tương lai.Nâng cao số lượng lớn vật liệu composite gốm có thể chịu được nhiệt độ cao (> 1500 ° C) mà không có sự suy thoái hoặc quá trình oxy hóa cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng chẳng hạn như cấu trúc bộ phận của động cơ động cơ, chất xúc tác bộ trao đổi nhiệt, nhà máy điện hạt nhân và hệ thống đốt cháy, bên cạnh việc sử dụng của họ trong nhà máy điện chuyển đổi năng lượng hóa thạch. Những khó khăn, nhiệt ổn định, vật liệu tổng hợp gốm chống oxy hóa và lớp phủ cũng trong nhu cầu cho các ứng dụng máy bay và tàu vũ trụ.Một hệ thống như vậy vật chất trong lớp này của vật liệu tổng hợp, cacbua silic, Silicon nitrua (SiC/Si3N4) vật liệu tổng hợp, đã được chứng thực hiện rất tốt dưới nhiệt độ cao oxy hóa điều kiện. Quan tâm đến nanocomposites như vậy bắt đầu với các thí nghiệm của Niihara2 đã cải tiến lớn trong cả gãy xương độ dẻo dai và sức bền vật liệu bằng cách nhúng nanomet phạm vi (20-300 nm) hạt trong một ma trận lớn hơn hạt và tại các ranh giới hạt. Một cải tiến 200% trong độ dẻo dai sức mạnh và gãy xương, lưu giữ tốt hơn sức mạnh ở nhiệt độ cao, và tốt hơn leo thuộc tính đã được quan sát.Một tiên tiến nanocomposite microstructure ví dụ như polycrystalline cacbua silic (SiC)-Silicon nitrua (Si3N4) nanocomposites, con số 1, chứa nhiều chiều dài quy mô với hạt ranh giới (GB) dày of the Order of 50 nm, kích thước hạt SiC of the Order of 200-300 nm và kích thước hạt Si3N4 of the Order of 0.8-1,5 µm1. Thiết kế microstructure của một hỗn hợp (và tương tự như những người khác chẳng hạn như TiN-Si3N4, SiC-Al2O3, SiC-SiC, graphen / CNT + SiC, và sợi Carbon + SiC nanocomposites) cho một tập hợp được nhắm mục tiêu của thuộc tính tài liệu là, do đó, một nhiệm vụ khó khăn. Kể từ khi microstructure liên quan đến việc nhiều chiều dài quy mô, multiscale phân tích dựa trên tài liệu thiết kế là một phương pháp thích hợp cho một nhiệm vụ

Kết quả (Việt) 2:

Trong gốm sứ qua nửa thế kỷ đã nhận được sự chú ý đáng kể như vật liệu ứng cử viên để sử dụng như vật liệu cấu trúc trong điều kiện giá cao tải, nhiệt độ cao, mặc, và cuộc tấn công hoá học là quá nặng đối với kim loại. Tuy nhiên, độ giòn vốn có của gốm đã ngăn chặn sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau. Cố gắng khoa học đáng kể đã được chỉ đạo theo hướng làm gốm sứ nhiều lỗ hổng chịu thông qua thiết kế của vi cấu trúc của mình bằng cách kết hợp các sợi hoặc râu mà cầu crack phải đối mặt ngay sau mũi nứt ; bằng cách thiết kế vi cấu trúc với các hạt thon dài mà hành động như cầu nối giữa các vết nứt phải đối mặt ngay sau mũi nứt; bằng cách kết hợp các hạt giai đoạn thứ hai mà làm chệch hướng các vết nứt làm cho nó đi một con đường quanh co hơn; và bằng cách kết hợp các giai đoạn thứ mà trải qua căng thẳng do việc mở rộng khối lượng buộc các vết nứt phải đối mặt với nhau. Tuy nhiên, một trong những phát triển gần đây nhất là sự phân bố của nhiều giai đoạn trong một hỗn hợp gốm ở quy mô chiều dài kích thước nano. Do tỷ lệ của các tính năng công nghệ nano, vật liệu tổng hợp như vậy được gọi nanocomposites như gốm. Các định nghĩa của vật liệu nanocomposite đã mở rộng đáng kể để bao gồm một lượng lớn các hệ thống như một chiều vật liệu, hai chiều, ba chiều và vô định hình, làm bằng rõ ràng các thành phần không tương tự và hỗn hợp ở quy mô nanomet. Các lớp học chung của vật liệu hữu cơ / vô cơ nanocomposite là một khu vực phát triển nhanh chóng của nghiên cứu. Giảm kích thước của các đặc điểm cấu trúc vật liệu dẫn đến một sự gia tăng đáng kể trong các phần của các nguyên tử bề mặt / giao diện. Các nguồn năng lượng bề mặt / giao diện cơ bản điều khiển tính chất của một chất rắn. Giao diện cung cấp một phương tiện để giới thiệu không đồng nhất trong vật liệu. Điều này không đồng nhất hoạt động như một bổ sung đáng kể của cả hai tính chất nhiệt và cơ học của vật liệu tổng hợp. Trộn có chọn lọc các vật liệu trong một hình thái phù hợp cao với tỷ lệ phần trăm cao của khu vực giao diện, dẫn đến vật liệu có tính nâng cao. Các tính chất của vật liệu nano-composite phụ thuộc không chỉ vào các thuộc tính của cha mẹ cá nhân của họ mà còn về hình thái và đặc điểm bề. Các nanocomposites thấy việc sử dụng chúng trong các ứng dụng khác nhau bởi vì những cải tiến trong các thuộc tính trên các cấu trúc đơn giản. Rất ít lợi thế như vậy có thể được tóm tắt như: Tính chất cơ học được cải thiện, ví dụ như sức mạnh, mô đun và ổn định chiều Giảm tính thấm để khí, nước và hydrocarbon nhiệt cao ổn định và biến dạng nhiệt nhiệt độ ngọn lửa cao hơn retardancy và giảm phát thải khói hóa chất cao sức đề kháng xuất hiện Surface Smoother dẫn điện cao hơn Đối với các thành phần được sử dụng trong một động cơ tua bin khí, một đời upto 10000 h và một sức mạnh giữ lại của ~ 300 MPa ở nhiệt độ 1400 ° C đã được mặc nhiên công nhận, cùng với tốc độ leo không đáng kể. Hơn nữa, ở nhiệt độ cao, vật liệu phải thể hiện sức đề kháng cao để sốc nhiệt, quá trình oxy hóa, và tăng trưởng nứt dưới tới hạn. Nanocomposites gốm đã được chứng minh là vô cùng quan trọng cho các ứng dụng trong tương lai như vậy. Vật liệu composite gốm với số lượng lớn chi tiết, có thể chịu được nhiệt độ cao (> 1500 ° C) mà không làm giảm hoặc quá trình oxy hóa cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng như các bộ phận kết cấu của động cơ động cơ, nhiệt xúc tác trao đổi, các nhà máy điện hạt nhân, và các hệ thống đốt, bên cạnh việc sử dụng chúng trong các nhà máy điện chuyển đổi năng lượng hóa thạch. Những vật liệu tổng hợp và chất phủ gốm cứng, nhiệt độ cao ổn định, quá trình oxy hóa chống cũng đang có nhu cầu cho máy bay và tàu vũ trụ ứng dụng. Một hệ thống tài liệu như vậy trong lớp này vật liệu composite, Silicon Carbide / Silicon Nitride (SiC / Si3N4) tổng hợp, đã được chứng minh để thực hiện rất tốt trong điều kiện oxy hóa ở nhiệt độ cao. Quan tâm nanocomposites như bắt đầu với các thí nghiệm của Niihara2 đã báo cáo những cải tiến lớn trong cả chống đứt gãy và sức mạnh của vật liệu bằng cách nhúng phạm vi nanomet (20-300 nm) hạt trong một ma trận các hạt lớn hơn và ở biên giới hạt. Một cải tiến 200% ở cả sức mạnh và bền phá hủy, duy trì tốt hơn về sức mạnh ở nhiệt độ cao, và tính từ biến tốt hơn đã được quan sát. Một nanocomposite vi tiên tiến như của đa tinh thể Silicon Carbide (SiC) -Silicon Nitride (Si3N4) nanocomposites, Hình 1 , chứa nhiều vảy dài với hạt ranh giới (GB) độ dày của thứ tự của 50 nm, SiC kích thước hạt của thứ tự của 200-300 nm và Si3N4 hạt kích thước của thứ tự của 0,8-1,5 μm1. Thiết kế vi như là một đường (những người khác và tương tự như TiN-Si3N4, SiC-Al2O3, SiC-SiC, Graphene / CNT + SiC, và Carbon Fiber + SiC nanocomposites) composite cho một bộ mục tiêu của loại vật liệu này, do đó, một nhiệm vụ khó khăn. Kể từ khi các vi liên quan đến nhiều quy mô chiều dài, phân tích multiscale vật liệu thiết kế dựa trên một phương pháp tiếp cận thích hợp cho công việc như vậy