Anisotropic, biomorphic cellular Si3N4 ceramics with directional well-aligned nanowhisker arrays based on wood-mimetic architectures

材料科学 陶瓷 各向异性 微观结构 微通道 复合材料 曲折 热导率 制作 多孔性 纳米技术 抗弯强度 最大相位 化学工程 光学 工程类 物理 病理 医学 替代医学
作者
Songsong Xu,Xiaonan Zhou,Qiang Zhi,Junjie Gao,Liucheng Hao,Zhongqi Shi,Bo Wang,Jianfeng Yang,Kōzō Ishizaki
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:11 (4): 656-664 被引量:34
标识
DOI:10.1007/s40145-021-0555-1
摘要

Abstract Inspired by the transport behavior of water and ions through the aligned channels in trees, we demonstrate a facile, scalable approach for constructing biomorphic cellular Si 3 N 4 ceramic frameworks with well-aligned nanowhisker arrays on the surface of directionally aligned microchannel alignments. Through a facile Y(NO 3 ) 3 solution infiltration into wood-derived carbon preforms and subsequent heat treatment, we can faultlessly duplicate the anisotropic wood architectures into free-standing bulk porous Si 3 N 4 ceramics. Firstly, α-Si 3 N 4 microchannels were synthesized on the surface of C B -templates via carbothermal reduction nitridation (CRN). And then, homogeneous distributed Y−Si−O−N liquid phase on the walls of microchannel facilitated the anisotropic β-Si 3 N 4 grain growth to form nanowhisker arrays. The dense aligned microchannels with low-tortuosity enable excellent load carrying capacity and thermal conduction through the entire materials. As a result, the porous Si 3 N 4 ceramics exhibited an outstanding thermal conductivity (TC, k R ≈ 6.26 W·m −1 ·K −1 ), a superior flexural strength (σ L ≈ 29.4 MPa), and a relative high anisotropic ratio of TC ( k R / k L = 4.1). The orientation dependence of the microstructure-property relations may offer a promising perspective for the fabrication of multifunctional ceramics.
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