Ученые впервые спекли керамику с двумерным материалом

Группа ученых из США, использовав разработанную ими ранее методику холодного спекания керамики, смогла покрыть гранулы оксида цинка двумерным карбидом титана Ti₃C₂T_x. Из-за такого покрытия проводимость материала увеличилась на 2 порядка, являющийся полупроводником оксид цинка приобрел металлические свойства, твердость оксида возросла в два раза, и он стал лучше превращать тепло в электричество, говорится в статье журнала Advanced Materials. Новые композитные материалы такого типа могут пригодится в изготовлении твердотельных батарей, химических датчиков, катализаторов и в многих других областях.

Вся керамика, от глиняного горшка до элементов электроники, состоит из кристаллической фазы (твердых гранул), скрепляющей стекловидной фазы и, возможно, газовой фазы. Идея покрывать гранулы ради улучшения свойств керамического материала не очень сложна концептуально, но высокие температуры на этапе отжига, от 800°C, значительно сужают круг веществ, которые на эти гранулы можно нанести. Однако в 2016 году группа ученых под руководством Цзина Го (Jing Guo) продемонстрировала метод холодного спекания керамики. Вкратце, он заключается в следующем: сначала керамический порошок помещают в специальный раствор, затем порошок растворяется, часть раствора высушивается, из-за чего оставшийся раствор перенасыщается и происходит эпитаксиальное осаждение гранул.

В своей последней работе группа Цзина Го в процессе холодного спекания сначала перемешала оксид цинка и карбид с помощью ультразвука. Затем они залили смесь специальным раствором, заморозили и лиофилизировали. После этого ученые залили высушенную смесь раствором уксусной кислоты и гомогенизировали. Затем смесь спрессовали под давлением 250 МПА при температуре в 300 градусов Цельсия. Схематически этот процесс можно увидеть на рисунке.

Улучшенный таким образом оксид цинка сильно изменил свои свойства. Во-первых, двумерный карбид титана препятствует росту гранул на этапе спекания. Кроме того, наличие прослойки между гранулами изменило электрические свойства материала, являющийся полупроводником оксид цинка при добавлении карбида стал проявлять металлические свойства, его проводимость увеличилась на два порядка. Сам композитный материал стал в два раза тверже, а также возросли его термоэлектрические свойства.

На этом примере ученые показали, что холодное спекание имеет хороший потенциал для создания композитных керамических материалов. В дальнейшем Цзин Го со своей группой планирует исследовать другие комбинации керамики и двумерных материалов. Также, по утверждениям ученых, с их группой уже связались люди из индустрии для использования композитной керамики уже в ближайшем будущем.

Александр Чепилко