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Nature子刊:陶瓷材料经电场烧结可以像金属一样变形


来源:材料科技在线

[导读]  普渡大学的研究人员发现陶瓷材料在承受重载时可以克服脆性,从而更具弹性。这可应用于航空发动机叶片的涂料和牙种植体。

中国粉体网讯  普渡大学的研究人员发现陶瓷材料在承受重载时可以克服脆性,从而更具弹性。这可应用于航空发动机叶片的涂料和牙种植体。


普渡大学的研究人员首次发现,陶瓷在电场下受到较高压缩应变量时,将发生塑性变形而非脆断。(图为:研究生助理Jaehun Cho和李强。图片来源:普渡大学影像/ Vincent Walter)
     

虽然陶瓷本身硬度很高,但大多数陶瓷稍加负载就突然断裂,除非置于高温环境。结构陶瓷首先要经过高温烧结的漫长过程,粉末体才能黏结成固体。
      

这对于发动机金属叶片的陶瓷涂层来说非常关键,涂层主要是保护金属叶片在一定程度上免受运行温度的影响。《自然—通讯》杂志上的一项研究首次表明,钇稳定氧化锆(YSZ,一种典型的热障陶瓷)经电场烧结后容易重新塑形,并且在室温时具有和金属几乎一样的塑性。由于裂缝是在中温而非高温时慢慢形成的,工程师们可以看到它以便及时补救。
      

材料工程系的教授张邢航说:“之前,我们在低温时对陶瓷施加高负载,大多数陶瓷会毫无征兆地脆裂。现在,我们在陶瓷断裂前就可以观察到裂缝的生成,这对预防材料失效更为有效。”
      

近期研究表明,对YSZ或其他陶瓷材料施加电场或“闪光”,将在比传统烧结炉温低很多的情况下,显著加快其烧结过程。闪光烧结陶瓷具有非常小的孔隙率,这使得它们更加致密,同样也更容易变形。目前还未测试闪光烧结陶瓷在室温或较高温度下的变形能力。
     

普渡大学工程教授王海燕说:“YSZ是一种非常典型的热障涂层,它可以保护金属基本不受热。但当发动机因残余应力而变热和冷却时,涂层往往会产生很多裂纹。”
      

金属断裂和塑性变形是由于材料内部存在“缺陷”或位错——原子在变形过程中拖动额外的原子面,使材料在负载作用下进行简单变形而非断裂。
      

材料工程系研究生助理Jaehun Cho称:“这些位错会在压缩或拉伸的作用下移动,这样材料就不会失效。”
      

除非在非常高的温度下变形,陶瓷一般不会形成位错。然而,闪光烧结将引入这些位错,并使位错在材料中具有较小的晶粒尺寸。
      

“较小的颗粒,如纳米晶粒,可能会随着陶瓷材料的变形而滑动,帮助它更好地变形”王海燕教授说。
      

由于预先存在位错和较小的颗粒尺寸,闪光烧结的YSZ样品比人类的头发更薄。在室温和600摄氏度之间进行压缩将提高材料的塑性。在400摄氏度时裂纹开始缓慢扩散,而传统烧结的YSZ则需要800摄氏度和更高的塑性变形量才能产生裂纹。
      

塑性的提高意味着在相对较低温度操作时稳定性更高。在裂纹开始出现之前,YSZ样品也可以承受与某些金属材料同样多的压缩应变量。
      

张教授说:“金属材料可以承受10%至20%的压缩应变量,但是如果对陶瓷材料施加2-3%的压缩应变量,陶瓷往往会脆裂成碎片。我们的实验表明,闪光烧结陶瓷可以承受7-10%的压缩应变量而不断裂。”
      

即使样品开始出现裂纹,它的形成也会非常缓慢,并且不会像传统陶瓷那样完全失效。下一步将依据这些原理来设计更具弹性的陶瓷材料。
      

如果普渡大学生命科学显微中心的高分辨率扫描电镜(配有聚焦铁束工具)内没有原位纳米力学测试工具,亦或没有材料工程系的FEI Talos 200X电镜,研究人员将无法完成微米级陶瓷样品的原位实验。两台显微镜均由普渡大学的执行副总裁办公室(研究与合作伙伴)和工程与科学学院提供。

普渡大学主持的这项研究得到了海军研究办公室与加利福尼亚大学、戴维斯大学和罗格斯大学的合作支持。


(中国粉体网编辑整理/平安)

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