Un peu de hBN dans les céramiques pourrait leur donner des propriétés exceptionnelles, selon un scientifique de l'Université Rice.

Rouzbeh Shahsavari, professeur assistant en génie civil et environnemental, ont suggéré que l'incorporation de feuilles ultrafines de nitrure de bore hexagonal (hBN) entre des couches de silicates de calcium constituerait un cristal bicouche intéressant doté de propriétés multifonctionnelles. Ceux-ci pourraient convenir aux matériaux de construction et réfractaires et aux applications dans l'industrie nucléaire, pétrole et gaz, l'aérospatiale et d'autres domaines qui nécessitent des composites haute performance.

La combinaison des matériaux donnerait une céramique non seulement solide et durable, mais résistante à la chaleur et aux rayonnements. Par les calculs de Shahsavari, les silicates de calcium avec des couches insérées de hBN bidimensionnel pourraient être suffisamment durcis pour servir de blindage dans des applications nucléaires comme les centrales électriques.

La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Le hBN bidimensionnel est surnommé le graphène blanc et ressemble au graphène vu d'en haut, avec des hexagones liés formant un plan ultra-mince. Mais le hBN diffère du graphène car il consiste en une alternance de bore et d'azote, plutôt que du carbone, atomes.

"Ce travail montre la possibilité d'un renfort matériel à la plus petite dimension possible, le plan basal de la céramique, " Shahsavari a déclaré. "Il en résulte un cristal bicouche où hBN fait partie intégrante du système, par opposition aux charges de renforcement conventionnelles qui sont vaguement connectées au matériau hôte.

"Notre étude de haut niveau montre une stabilité énergétique et une amélioration significative des propriétés grâce à la liaison covalente, transfert de charge et mélange orbital entre hBN et silicates de calcium, " il a dit.

La forme de céramique étudiée par le laboratoire, connu sous le nom de tobermorite, a tendance à s'auto-assembler en couches de calcium et d'oxygène maintenues ensemble par des chaînes de silicate lorsqu'il sèche en ciment durci. L'étude à l'échelle moléculaire de Shahsavari a montré que le hBN se mélange bien avec la tobermorite, se glisse dans les espaces entre les couches lorsque les atomes de bore et d'oxygène se lient et déforment les feuilles plates de hBN.

Ce flambage en accordéon est dû à l'affinité chimique et au transfert de charge entre les atomes de bore et la tobermorite qui stabilise le composite et lui confère une résistance et une ténacité élevées, propriétés qui s'échangent généralement les unes contre les autres dans les matériaux d'ingénierie, dit Shahsavari. L'explication semble être un mécanisme à deux phases qui se produit lorsque les couches de hBN sont soumises à une déformation ou à une contrainte.

Les modèles de Shahsavari de tobermorite et de tobermorite-hBN empilés horizontalement ont montré que le composite était trois fois plus résistant et environ 25 pour cent plus rigide que le matériau ordinaire. L'analyse informatique a montré pourquoi :alors que les chaînes de silicate dans la tobermorite ont échoué lorsqu'elles ont été forcées de tourner le long de leurs axes, les tôles hBN ont soulagé les contraintes en se dépliant d'abord puis en se rigidifiant.

Une fois compressé, la tobermorite ordinaire présentait une faible limite d'élasticité (ou module d'élasticité) d'environ 10 gigapascals (GPa) avec une contrainte d'élasticité (le point auquel un matériau se déforme) de 7 pour cent. Le composite présentait une limite d'élasticité de 25 GPa et une déformation jusqu'à 20 %.

"Un inconvénient majeur de la céramique est qu'elle est cassante et se brise en cas de contrainte ou de déformation élevée, " a déclaré Shahsavari. " Notre stratégie surmonte cette limitation, fournissant une ductilité et une ténacité améliorées tout en améliorant les propriétés de résistance.

"En bonus, la tolérance thermique et radiative du système augmente également, rendu des propriétés multifonctionnelles, ", a-t-il déclaré. "Ces caractéristiques sont toutes importantes pour éviter la détérioration des céramiques et augmenter leur durée de vie, économisant ainsi les coûts d'énergie et de maintenance.

Lorsque le matériau a été testé sous d'autres angles, les différences entre la tobermorite pure et le composite étaient moins prononcées, mais en moyenne, hBN a considérablement amélioré les propriétés du matériau.

« Par rapport aux charges unidimensionnelles telles que les fibres classiques ou les nanotubes de carbone, Les matériaux 2D comme le hBN sont recto-verso, ils ont donc deux fois la surface par unité de masse, " Shahsavari a déclaré. "C'est parfait pour le renforcement et l'adhérence à la matrice environnante."

Il a dit que d'autres matériaux 2-D comme le bisulfure de molybdène, Le diséléniure de niobium et l'hydroxyde double en couches peuvent également convenir à la conception ascendante de céramiques hautes performances et d'autres matériaux composites multifonctionnels.