Mikrostruktur Teroptimasi dan Sifat Mekanik yang Ditingkatkan Komposit Nanokarbon Berbasis Al₂O₃ melalui Rangkaian Elektrostatik

Pendahuluan

Diketahui bahwa alumina (Al₂O₃) memiliki properti baik seperti kekerasan tinggi, daya tahan aus yang baik, dan stabilitas kimia tinggi. Di sisi lain, kekurangan alumina adalah keawetan pecahan yang rendah, kekuatan rendah pada suhu tinggi serta daya tahan shock termal yang buruk [1]. Hal ini telah mendorong penelitian intensif dalam pengembangan komposit berbasis alumina pada skala mikro dan nano. Laporan komposit keramik fungsional dengan partikel nano yang terdistribusi homogen dalam matriks keramik dinilai dapat meningkatkan tidak hanya properti mekanis seperti kekuatan kegagalan, keawetan pecahan, lelah, dan daya tahan aus tetapi juga properti listrik, magnetik, termal, dan optik [2,3,4,5,6,7]. Untuk meningkatkan dan mengontrol properti mekanis keramik, porositas mikrostruktur [8, 9], penyisipan filler tambahan [10], dan profil perawatan panas [11, 12] telah digunakan dan dilaporkan. Ini menunjukkan bahwa dengan mengontrol mikrostruktur Al₂O₃, properti mekanis yang diinginkan dari keramik Al₂O₃ dapat diperoleh. Namun, sebagian besar laporan yang telah dilakukan hanya menggunakan metode sederhana pencampuran bubuk Al₂O₃ sebelum sintering yang tidak cukup untuk mendapatkan kontrol yang baik pada mikrostruktur dan desain keramik Al₂O₃ sehingga menghasilkan kontrol yang buruk atas properti mekanisnya. Dalam pembentukan komposit nano dengan metode pencampuran konvensional, masih merupakan tantangan besar untuk mendapatkan dekorasi homogen partikel tambahan berukuran nano pada partikel primer yang ditentukan karena aglomerasi partikel tambahan. Distribusi yang tidak merata yang disebabkan oleh aglomerasi akan kemudian mengakibatkan efek buruk pada desain mikrostruktur serta properti komposit keramik. Oleh karena itu, metode baru melalui rangkaian bawah-ke-atas menggunakan metode adsorpsi elektrostatik digunakan dalam studi ini untuk mendemonstrasikan keaslian untuk mendapatkan kontrol mikrostruktur yang baik dan desain yang secara berakibat memungkinkan properti yang diinginkan untuk diperkenalkan ke dalam keramik Al₂O₃ seperti properti optik, listrik, dan mekanis. Sebagai salah satu aditif yang mungkin untuk komposit keramik Al₂O₃, berbagai bentuk materi karbon berukuran nano seperti serat (nanotub karbon (CNT), nanoserat) dan mirip plat (grafen) serta partikel telah dikembangkan. Ini memungkinkan aplikasi materi berbasis karbon sebagai aditif untuk pembuatan materi yang telah dilaporkan akhir-akhir ini.

Dalam pengembangan komposit alumina berbasis karbon, Kumari et al. melaporkan peningkatan konduktivitas termal komposit alumina-carbon nanotube (CNT) dari 60 hingga 318% dibandingkan alumina murni dengan mengubah persentase berat penambahan CNT dan suhu sintering [4]. Selain itu, berkat properti tribologi luar biasa dari komposit berbasis karbon untuk aplikasi seperti generasi daya, transportasi, dan manufaktur, banyak peneliti telah memfokuskan minat mereka pada pengembangan komposit berbasis karbon [13, 14]. Keramik dengan permukaan yang diperkuat karbon telah dilaporkan menunjukkan daya tahan aus yang ditingkatkan dan koefisien gesekan yang dikurangi. Meskipun ada laporan yang kontroversial tentang peningkatan kekuatan mekanis menggunakan nanoserat karbon (CNF) pada alumina dan zirkonia, sebagian besar penulis telah melaporkan peningkatan properti mekanis. Studi terbaru tentang CNT pada properti crep alumina menarik kesimpulan yang berlawanan karena dilaporkan bahwa tergantung pada jumlah penambahan CNT, kekuatan crep dapat baik diperkuat atau dilemahkan karena penghamban geser batas butir atau promosi difusi atau geser batas butir, masing-masing [15]. Sementara itu, Crepo et al. melaporkan bahwa komposit alumina yang diperkuat oksida grafen menunjukkan daya tahan crep yang lebih baik daripada komposit alumina yang diperkuat CNF [16]. Selain itu, karena properti pelumas yang luar biasa grafit, materi berbasis karbon adalah kandidat yang baik untuk aplikasi pelumas padat. Selama gesekan kering, komposit berbasis karbon dilaporkan menghasilkan film pelumas dari eksfoliasi karbon dan penggabungannya dengan puing keramik di atas area kontak yang terpengaruh [13]. Namun, sebagian besar laporan yang telah dilakukan melibatkan penggunaan pencampuran tunggal baik melalui pencampuran ultrasonik suspensi atau penggilingan mekanis konvensional, dan belum ada karya yang telah dilakukan tentang dekorasi terkontrol materi karbon pada keramik yang mengarah pada pembentukan keramik berbasis karbon yang dikontrol mikrostruktur. Oleh karena itu, dalam studi ini, komposit CNP-Al₂O₃ dibuat menggunakan rangkaian adsorpsi elektrostatik yang menawarkan lebih banyak kontrol dalam perakitan dan desain kompositnya. Partikel mikro Al₂O₃ yang digunakan dalam karya ini diperoleh menggunakan granulasi terkontrol nanopartikel Al₂O₃ berukuran nano. Kemudian, partikel mikro Al₂O₃ yang tergranulasi digunakan untuk pembentukan komposit karbon CNP-Al₂O₃. Studi dilakukan secara sistematis dengan mengubah jumlah nanobola karbon dari 0,3, 0,6, dan 1,0 vol% (persentase volume) dan ukuran rata-rata partikel alumina yang digunakan. Properti mekanis sampel komposit berbasis karbon kemudian dikarakterisir dan dibandingkan dengan sampel alumina tunggal menggunakan uji lentur tiga titik dan uji indentasi. Korelasi antar mikrostruktur yang diperoleh dan properti mekanis juga dibahas dan diuraikan.

Metode

Nanopartikel alumina dengan diameter rata-rata 150 nm dibeli dari Taimei Kagaku Kogyo Co. dan digunakan sebagai precursor untuk mendapatkan partikel mikro Al₂O₃ yang tergranulasi. Granulasi dilakukan dengan pengeringan spray dari campuran partikel mikro Al₂O₃ dengan pengikat akril. Partikel mikro Al₂O₃ kemudian diayak untuk mendapatkan tiga diameter rata-rata yang berbeda 37, 62, dan 98 μm yang kemudian digunakan sebagai partikel primer. CNP dengan diameter rata-rata 260 nm dibeli dari Tokai Carbon Co. dan digunakan sebagai nanopartikel aditif. Karena CNP hidrofobik dan tidak dapat disperdi dalam medium air, ia pertama kali didisperdi dalam larutan SDC (sodium deoxycholate) dan kemudian melalui perawatan hidrofilisasi untuk pelapisan selanjutnya. Empat puluh mililiter larutan SDC 0,1 wt% ditambahkan ke dalam 1 g CNP dan didisperdi dengan ultrasonik selama 30 menit. Kemudian, larutan disentrifugasi dan dicuci tiga kali menggunakan air yang ditukarkan ion yang dilakukan dengan mengaduk air dengan mixer. Setelah itu, modifikasi muatan permukaan dilakukan menggunakan polikation dan polianion. Polidiallyldimetil amonium klorida (PDDA) (berat molekul rata-rata 100.000 hingga 200.000, Sigma-Aldrich) dan polisodium stirensulfonat (PSS) sebagai polianion (berat molekul rata-rata 70.000, Sigma-Aldrich) digunakan sebagai polikation dan polianion, masing-masing. Setelah itu, CNP yang dilapisi SDC kemudian secara bergantian direndam ke dalam PDDA, PSS, dan PDDA untuk menginduksi muatan permukaan positif yang stabil. Setelah proses adsorpsi, suspensi yang tersisa dikeringkan dan kemudian dikumpulkan. Dalam penelitian pertama, partikel Al₂O₃ dengan diameter 62 μm digunakan dan kelayakan kontrol cakupan CNP pada partikel Al₂O₃ dilakukan. Persentase volume CNP yang ditambahkan adalah 0,3, 0,6, dan 1,0 vol%. Dalam penelitian efek ukuran Al₂O₃, jumlah CNP tetap 0,6 vol% ditetapkan sementara partikel Al₂O₃ dengan diameter rata-rata yang berbeda 37, 62, dan 98 μm digunakan untuk pembentukan komposit. Partikel komposit CNP-Al₂O₃ pertama kali ditekan uniaxial menggunakan cetak dengan diameter 12 mm. Tekanan yang diterapkan adalah 300 MPa dan waktu tahan adalah 5 menit. Setelah itu, pelet yang dihasilkan dimasukkan ke dalam cetak grafit dengan bubuk h-BN untuk sintering panas-tekan (Diavac Inc. Ltd.) Sintering panas-tekan dilakukan dalam atmosfer vakum (8 × 10⁻³ Pa) pada 1350 °C (laju pemanasan 10 °C/min) selama 2 jam dengan tekanan 30 MPa. Morfologi komposit CNP-Al₂O₃ dan mikrostruktur sinter yang dihasilkan diamati menggunakan Mikroskop Elektron Semsan Emisi Medan (FE-SEM, Hitachi S-4800). Potensi zeta diukur menggunakan Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 dan Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd. Untuk penetapan properti mekanis, modulus elastis sampel yang dihasilkan diukur menggunakan uji lentur tiga titik. Sampel pertama dipotong menjadi lembar uji berbentuk strip dan dimensinya disesuaikan halus menggunakan gerinda permukaan. Dimensi spesimen uji yang disiapkan adalah 3 × 4 × 40 mm. Setelah itu, pemolesan dilakukan dengan alumina 0,5 mm dan pasta berlian dengan grade 30 dan 9 μm, masing-masing. Uji lentur tiga titik diukur menggunakan tester tipe Instron kompakt. Pertama, stres (σ) dihitung menggunakan Eq. 1 di mana, l, b, dan h adalah jarak jangkauan dan dimensi setiap spesimen uji, sementara P mewakili beban. Selanjutnya, hubungan antara stres dan regangan dibuat, dan modulus elastis dihitung dari kemiringan kuadrat terkecil. Kecepatan silang diuji pada 0,02 mm/min dan jangkauan pada 30 mm.

Properti kekerasan komposit sampel lebih lanjut dievaluasi menggunakan indentasi. Indenter Rockwell yang digunakan terdiri dari berlian (E_i = 1050 GPa, υ = 0.20) dengan radius kelengkungan nama, R = 200 yang tertanam di ujung kerucut dengan sudut puncak 120°. Indenter disetel dalam tester tipe Instron (Sanwa Instruments) dan didorong pada kecepatan silang 0,05 mm/s hingga kedalaman tetap (20 μm). Beban yang diperoleh selama indentasi diukur dengan sel beban (TCLZ-100KA, Tokyo Gakko), dan kedalaman indentasi diukur dengan meter perpindahan elektrostatis non-kontak (VE-222, Ono Sokki).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan potensi zeta muatan permukaan partikel Al₂O₃ dan CNP setelah pelapisan bergantian PDDS dan PSS, masing-masing. Terdapat pengamatan bahwa alumina dan CNP menunjukkan potensi zeta sebesar + 55 dan − 55 mV, masing-masing, setelah tiga lapis pelapisan. Potensi zeta yang dicapai setelah tiga lapis pelapisan pada baik CNP maupun partikel mikro Al₂O₃ stabil. Morfologi permukaan komposit CNP-Al₂O₃ dengan berbagai 0,3, 0,6, dan 1,0 vol% penambahan CNP ditunjukkan pada gambar SEM Gambar 2. Dari gambar SEM dengan perbesar lebih tinggi, dapat dengan jelas diamati bahwa jumlah CNP yang terserap pada permukaan partikel Al₂O₃ meningkat dengan persentase volume penambahan CNP yang lebih tinggi. Penting untuk dicatat bahwa CNP didistribusikan secara homogen di seluruh permukaan Al₂O₃ tanpa tanda aglomerasi yang menggambarkan keuntungan metode EA untuk mendapatkan distribusi yang merata dan seragam. Ukuran partikel CNP yang diamati sekitar 260 nm. Dengan menetapkan penambahan CNP pada 0,6 vol% dan mengubah ukuran partikel mikro Al₂O₃ dari 37, 62, dan 98 μm, distribusi CNP pada permukaan partikel Al₂O₃ ditunjukkan pada gambar SEM Gambar 3. Dari pengamatan gambar SEM, dapat dilihat bahwa seiring bertambahnya diameter ukuran partikel, jumlah CNP yang terserap pada permukaan diamati meningkat sesuai. Karena partikel Al₂O₃ yang lebih besar memiliki luas permukaan keseluruhan yang lebih rendah dibandingkan partikel Al₂O₃ yang lebih kecil, luas permukaan keseluruhan yang tersedia untuk adsorpsi CNP juga lebih rendah dibandingkan partikel Al₂O₃ yang lebih kecil. Oleh karena itu, dengan konstan 0,6 vol% penambahan CNP, jumlah CNP yang lebih tinggi terserap pada luas permukaan keseluruhan yang lebih rendah dari partikel Al₂O₃ yang lebih besar. Akibatnya, jumlah CNP yang terserap pada permukaan Al₂O₃ diamati meningkat dengan diameter ukuran partikel Al₂O₃ yang mengarah pada kepadatan adsorpsi CNP yang lebih tinggi pada permukaan partikel Al₂O₃ 98 μm. Di sisi lain, seiring berkurangnya ukuran partikel, luas permukaan keseluruhan yang tersedia untuk adsorpsi CNP pada Al₂O₃ meningkat dan oleh karena itu, distribusi CNP yang langka diamati karena jumlah CNP yang tidak cukup dalam suspensi (pada 0,6 vol% yang tetap). Mikrostruktur sinter yang dihasilkan menggunakan komposit CNP-Al₂O₃ dan perbesar tinggi pada antarmuka ditunjukkan pada Gambar 4. Dari gambar SEM pada Gambar 4a, dapat dilihat bahwa mikrostruktur yang dihasilkan mencerminkan bentuk komposit CNP-Al₂O₃ yang dihasilkan. Perlu dicatat bahwa batas butir terhubung membentuk jaringan di sepanjang batas butir. Dari pengamatan jaringan CNP yang terbentuk di sepanjang batas butir, homogenitas distribusi CNP pada permukaan partikel Al₂O₃ dapat ditentukan. Hasil ini menunjukkan bahwa dapat dilakukan pembentukan materi komposit yang dikontrol mikrostruktur dengan merancang precursornya komposit. Dari gambar SEM perbesar tinggi pada Gambar 4b, kehadiran lapisan karbon di antara antarmuka batas butir Al₂O₃ dapat diamati. Ini menunjukkan bahwa sintering CNP di antara partikel Al₂O₃ selama sintering panas-tekan mengarah pada pembentukan lapisan karbon yang merata di sepanjang batas butir. Juga penting untuk dicatat bahwa matriks Al₂O₃ yang dihasilkan padat dan terelapisi dengan baik tanpa pengamatan pori seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Ini adalah karena pembentukan nanopartikel Al₂O₃ (150 nm) yang tergranulasi padat yang memungkinkan sinterabilitas yang baik yang menunjukkan teknik baru dari karya ini. Modulus elastis komposit CNP-Al₂O₃ yang diperoleh menggunakan uji lentur tiga titik digambarkan sebagai fungsi ukuran partikel Al₂O₃ dan persentase cakupan permukaan pada Gambar 5. Dari Gambar 5a, modulus elastis yang ditampilkan dari sampel yang dibuat menggunakan hanya partikel Al₂O₃ sekitar 390 GPa yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan pada alumina kristal multi yang berada antara 300 dan 400 GPa [6, 12]. Pencapaian nilai modulus elastis ini corroborasi dengan pengamatan SEM di mana mikrostruktur dan kompaksi yang baik dicapai menggunakan nanopartikel Al₂O₃ yang tergranulasi. Dalam studi Ashizuka et al. tentang efek porositas terhadap properti mekanis keramik alumina, modulus elastis keramik tanpa porositas (0%) sedikit lebih rendah sekitar 380 GPa [17]. Seperti yang disebutkan, untuk modulus elastis komposit CNP-Al₂O₃, dapat dilihat bahwa properti dapat dikontrol karena menurun linier dengan penambahan persentase volume CNP yang lebih tinggi atau peningkatan ukuran partikel Al₂O₃. Tren serupa juga diamati dalam karya Shin et al., di mana modulus elastis komposit alumina oksida grafen tereduksi dan nanotub tunggal dinding mereka dikurangi dengan peningkatan konten aditif [6]. Karena kedua faktor (jumlah CNP dan ukuran partikel Al₂O₃) sangat mempengaruhi luas permukaan spesifik dan mengarah pada adsorpsi CNP yang lebih besar pada permukaan partikel Al₂O₃, hal ini akan menghambat sintering Al₂O₃ dan efek geser yang mungkin dari lapisan karbon menghasilkan modulus elastis yang lebih rendah [6]. Temuan ini konsisten dengan yang dilaporkan oleh Gopalan et al. di mana CNT yang digunakan dalam komposit mereka menahan pertumbuhan butir tetapi tidak memiliki efek pada geser batas butir yang mengarah pada kejadian superplasticity [15]. Temuan ini mengindikasikan kemungkinan untuk mengubah dan mengontrol modulus elastis keramik Al₂O₃ dengan mengontrol pembentukan mikrostruktur melalui desain komposit precursornya yang digunakan dalam pembentukan CNP-Al₂O₃. Pada Gambar 5b, plot modulus elastis yang diperoleh sebagai fungsi rasio cakupan CNP pada Al₂O₃ ditunjukkan. Korelasi linier antara rasio cakupan CNP dan kekuatan modulus elastis diamati yang further corroborate dengan hasil di atas. Oleh karena itu, dari hasil ini, telah ditunjukkan bahwa properti mekanis komposit keramik CNP-Al₂O₃ dapat dikontrol melalui rasio cakupan CNP dengan mengubah jumlah penambahan CNP atau ukuran partikel alumina primer. Dalam penetapan mikrokekaran komposit sampel CNP-Al₂O₃, perbandingan antara sampel alumina murni dan komposit CNP-Al₂O₃ yang dibuat dengan penambahan CNP 1,0 vol% dengan ukuran partikel Al₂O₃ yang berbeda 37, 62, dan 98 μm dilakukan. Hasil indentasi ditunjukkan pada Gambar 6. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa sampel alumina murni menunjukkan nilai kekerasan tertinggi sementara kekerasan sampel komposit CNP-Al₂O₃ berkurang dengan ukuran partikel Al₂O₃ yang lebih besar. Ini adalah karena luas permukaan keseluruhan Al₂O₃ yang lebih rendah saat ukuran partikel meningkat mengarah pada jumlah CNP yang lebih tinggi yang terserap pada permukaan. Selanjutnya, jumlah CNP yang lebih tinggi pada antarmuka Al₂O₃ mengarah pada kekerasan yang lebih rendah karena penghamban sintering efektif antara antarmuka Al₂O₃ atau geser lapisan karbon yang terhubung terus-menerus di sepanjang batas butir Al₂O₃. Oleh karena itu, penting untuk memiliki distribusi CNP yang terkontrol pada permukaan Al₂O₃ untuk menginduksi pembentukan mikrostruktur yang diinginkan yang mengarah pada properti mekanis yang diinginkan komposit CNP-Al₂O₃.

Potensi zeta muatan permukaan yang dikontrol alumina dan nanopartikel karbon

Gambar SEM partikel granulation alumina dengan diameter rata-rata 62 μm yang dilapisi CNP a 0,3 vol%, b 0,6 vol%, dan c 1,0 vol%

Gambar SEM partikel granulation alumina dengan diameter rata-rata a 37, b 62, dan c 98 μm yang dilapisi CNP 0,6 vol%

a Mikrostruktur komposit CNP-Al₂O₃ 0,6 vol% menggunakan alumina dengan diameter rata-rata 62 μm. b Batas butir komposit CNP-Al₂O₃. Lapisan karbon dapat diamati pada antarmuka antara matriks alumina

Modulus elastis komposit CNP-Al₂O₃ sebagai fungsi a ukuran partikel matriks dan b cakupan CNP pada partikel alumina

Kurva histeresis beban indentasi dan kedalaman penyerapan komposit CNP-Al₂O₃ 1,0 vol%

Dari kurva beban indentasi (P)-kedalaman (h) (P-h curve) selama siklus pemuatan dan pembongkaran, perubahan mikrostruktur dan mekanisme deformasi permukaan dapat diperoleh [18]. Persamaan kuadrat sederhana yang melibatkan beban indentasi (P) dan kedalaman penyerapan (h) yang ditunjukkan pada Eq. 2 dapat digunakan untuk analisis proses pemuatan [18,19,20].

Pemuatan alumina tunggal menunjukkan korelasi dengan kurva P-h yang serupa dengan persamaan kuadrat Eq. 2 sementara komposit CNP-Al₂O₃ yang dibuat menggunakan partikel alumina dengan ukuran 37 dan 62 μm menunjukkan garis lurus dengan kurva yang menyimpang dari kurva pemuatan alumina tunggal, masing-masing. Ini menunjukkan kehadiran CNP dalam mikrostruktur (di antarmuka batas butir) yang mengakibatkan deformasi lokal di sepanjang batas butir. Seperti yang disebutkan, untuk komposit CNP-Al₂O₃ yang dibuat menggunakan alumina dengan ukuran partikel 98 μm, kepadatan CNP yang tinggi di batas butir mengakibatkan ketidakkontinuitas kurva histeresis P-h dan menunjukkan kekerasan terendah karena kejadian geser batas butir atau mikroretakan permukaan.

Kesimpulan

Dalam karya ini, pembentukan komposit CNP-Al₂O₃ yang dapat dikontrol melalui metode adsorpsi elektrostatik telah divisualisasikan. Partikel mikro Al₂O₃ yang digunakan diperoleh oleh granulasi partikel alumina berukuran nano (150 nm) yang memungkinkan kompaksi dan sinterabilitas yang lebih baik. Dalam pembentukan keramik komposit, parameter yang melibatkan jumlah CNP (0,3, 0,6, 1,0 vol%) dan ukuran partikel mikro alumina primer yang tergranulasi (37, 62, 92 μm) diteliti. Terbukti bahwa dengan mengontrol jumlah aditif CNP dan ukuran partikel mikro Al₂O₃, cakupan permukaan yang berbeda dapat diperoleh yang mengarah pada pembentukan mikrostruktur yang berbeda dengan properti mekanis yang berbeda. Menggunakan komposit CNP-Al₂O₃ yang homogen, lapisan karbon terhubung kontinu diperoleh di sepanjang batas butir alumina. Matriks alumina yang padat dan kompak juga diamati karena sintering yang baik nanopartikel alumina. Dari hasil uji lentur tiga titik dan indentasi, kontrol properti mekanis telah divisualisasikan dengan menyesuaikan cakupan CNP pada alumina. Perubahan modulus elastis adalah karena penghamban sintering yang efektif atau geser lapisan karbon yang dihasilkan pada antarmuka alumina. Dari studi ini, kami telah membenarkan keaslian desain mikrostruktur keramik dengan antarmuka terhubung menggunakan komposit CNP-Al₂O₃. Metode desain mikrostruktur ini akan membuka kemungkinan dan potensi yang lebih besar untuk desain materi melalui rangkaian bawah-ke-atas untuk menginduksi properti yang diinginkan untuk berbagai aplikasi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel ini (dan file informasi pendukungnya).

Riwayat Perubahan

Singkatan

CNP:

Nanopartikel karbon

PDDA:

Polidiallyldimetil amonium klorida

PSS:

Polisodium stirensulfonat

SDC:

Sodium deoksikolat

SEM:

Mikroskop elektron semsan