Pressureless ultrafast sintering of near-net-shaped superhard isotropic B4C/rGO composites with Ti-Al additives

Abstract

Superhard composites of B4C reinforced with randomly-oriented reduced graphene oxide (rGO) nanoplatelets are manufactured by a near-net-shape fabrication route based on three successive steps. Firstly, aqueous colloidal processing is used for the environmentally-friendly preparation of a semi-concentrated multi-component slurry (B4C as main component, Ti-Al as sintering additive, and rGO as toughening reinforcement), whose suitability for wet shaping is demonstrated by rheological measurements. Secondly, slip casting is used to produce robust green parts with shapes on demand and microstructures free of macro- and micro-defects. And thirdly, pressureless spark-plasma sintering (PSPS) is used for the ultrafast and energy-efficient densification of the green parts with shape retention. Measurements of shrinkage and hardness, as well as the microstructural observations, are used to identify suitable PSPS temperatures leading to obtaining isotropic B4C/rGO composites that are superhard and almost twice as tough as the monolithic B4C ceramics.

Los compuestos superduros de B4C reforzado con nanoplaquetas de óxido de grafeno reducido (rGO) orientadas al azar se fabrican mediante una ruta de fabricación casi en forma de red basada en tres pasos sucesivos. En primer lugar, se utiliza un proceso coloidal acuoso para la preparación respetuosa con el medio ambiente de una pasta multicomponente semiconcentrada (B4C como componente principal, Ti-Al como aditivo de sinterización y rGO como refuerzo endurecedor), cuya idoneidad para el conformado en húmedo se demuestra mediante mediciones reológicas. En segundo lugar, se utiliza el moldeo por deslizamiento para producir piezas verdes robustas con formas a la carta y microestructuras libres de macro y microdefectos. Y En tercer lugar, se utiliza la sinterización por plasma de chispa sin presión (PSPS) para la densificación ultrarrápida y energéticamente eficiente de las piezas verdes con retención de la forma. Las mediciones de la contracción y la dureza, así como las observaciones microestructurales, se utilizan para identificar las temperaturas PSPS adecuadas que conducen a la obtención de compuestos isotrópicos B4C/rGO que son superduros y casi dos veces más resistentes que la cerámica monolítica B4C.