Onderzoekers van Drexel University en Oak Ridge National Laboratory hebben een keramieksoort gevonden die kan worden samengedrukt en weer terugveert.

Bij keramiek denken we meteen aan sterkte en duurzaamheid als eigenschappen. Mensen gebruiken keramiek immers al generaties om in te wonen. Maar keramiek heeft een paar onhebbelijkheden. Door de sterke covalente of ionogene atoombindingen in het materiaal kunnen plastische vervormingen niet optreden zoals dat wel het geval is bij metalen. Dit houdt in dat keramiek geen (merkbare) reactie geeft wanneer je er een kracht op uitoefent, maar direct breekt wanneer deze kracht groter is dan een kritische grenswaarde.
Onderzoekers van Drexel University en Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten hebben een keramieksoort gevonden die kan worden samengedrukt en weer terugveert. “Het is een nieuw type materiaal met unieke en ongewone eigenschappen – het is keramiek noch metaal, maar lijkt de beste eigenschappen van beide te combineren”, aldus Michel Barsoum van Drexel University.
Het materiaal bestaat uit titanium, silicium en koolstof met de samenstelling Ti₃SiC₂. Enkele jaren geleden zijn de onderzoekers bij toeval op deze ‘nanolaminaten’ gestuit, toen ze probeerden om zeer harde materialen te ontwikkelen. Ti₃SiC₂ behoort tot de zogenaamde MAX-fasen, waarbij de letters staan voor drie elementen: M is een overgangsmetaal als titanium, vanadium of zirconium; A is een element uit groep A (uit het periodiek systeem, vooral groep IIIA of IVA) zoals aluminium of silicium; X is stikstof of koolstof. De samenstelling is steeds M_n+1AX_n met n = 1, 2 of 3.

Demping
De onderzoekers hebben drukspanningen aangebracht tot 1000 MPa op het materiaal, vergelijkbaar met een gewicht van tien auto’s op een vierkante centimeter. Het materiaal reageert hierop door samen te drukken. Deze compressie is niet groot, maximaal 0.6 %. Belangwekkend is echter dat bij dit samendrukken het materiaal 25% van de mechanische energie opneemt. Dit is een waarde die nog nooit bij keramische materialen is gemeten, of zoals ze het zelf zeggen: “De dempende eigenschappen van Ti₃SiC₂ zijn ordes groter dan die van andere structurele keramieksoorten. De reversibele, per cycle geabsorbeerde energie van 0.7 MJ/m³ bij 1 GPa, is een record voor een kristallijne vaste stof.” Ter vergelijking, de hoeveelheid gedissipeerde energie ten opzichte van de maximaal opgenomen hoeveelheid energie (de ‘verliesfactor’) is voor Ti₃SiC₂ even groot als voor organische materialen als polypropyleen en nylon.
Bij het aflaten van de aangebrachte drukspanning springt Ti₃SiC₂ volledig terug in zijn oorspronkelijke staat. Zelfs bij 100 maal aanbrengen en aflaten van een drukspanning van 700 MPa ondergaat het materiaal geen zichtbare veranderingen. Het opmerkelijke reversibele gedrag van dit materiaal heeft te maken met de manier waarop moleculen in een kristalvlak van Ti₃SiC₂ zijn georiënteerd. Bepaalde kristalvlakken ‘stapelen’ of ‘krommen’ onder invloed van de aangebrachte drukspanning. Bij aflaten van de drukspanning strekken ze zich weer uit tot hun oorspronkelijke positie. Deze processen vinden plaats binnen in de korrels waaruit het materiaal is opgebouwd; Ti₃SiC₂ dat bestaat uit grote korrels van 100 μm dissipeert meer energie dan Ti₃SiC₂ met kleine korrels van 5 μm. Het reversibele gedrag treedt alleen op bij temperaturen lager dan 1000 °C.

Toepassingen
De dempende eigenschappen van het materiaal maken dat Ti₃SiC₂ breed toepasbaar is. Te denken valt aan werkplaatsen waar mechanische trillingen ongewenst zijn en gereduceerd moeten worden, of tijdens transport. Ook geluid kan met dit materiaal gedempt worden. De onderzoekers noemen verder precisiemachinegereedschappen, industriële robots, electronische en microelectromechanische (MEMS) systemen, diskdrives en lagedichtheid bepantsering als toepassingsgebieden.
Een belangrijk voordeel van dit materiaal is dat het eenvoudig bewerkbaar is, zelfs met een huis-tuin-en-keuken metaalzaag. Voeg dit bij andere goede eigenschappen van dit materiaal als lichtgewicht (vergelijkbaar met titanium), elastisch stijf (ruim 3 keer zo stijf als titanium), electrisch en warmte geleidend en hogetemperatuur bestendig, en het ideale structurele materiaal is mogelijk gevonden.
Barsoum is al begonnen met de commercialisering van het materiaal binnen het bedrijf 3one2. “Het bedrijf heeft al verscheidene prototypes vervaardigd”, aldus Barsoum. “Deze prototypes zijn al voorbij het ‘proof-of-concept’ stadium.” Hij verwacht dat het materiaal binnen twee jaar in producten gebruikt zal worden.

‘Flexibel keramiek’ is verschenen als artikel in het vakblad Chemisch2Weekblad, editie 11, 7 juni 2003, pagina 17.