中国粉体网讯 广义上讲，陶瓷是金属以外的无机材料的总称，用于陶瓷、玻璃等个人工具、半导体等电子设备部件、耐火材料、切削工具等工业部件等各种领域。特别是具有优异硬度、耐热性和耐腐蚀性的工程陶瓷作为结构材料在航空航天、深海、发电厂等恶劣环境中发挥着积极作用。
另一方面，与金属和聚合物不同，陶瓷几乎不会引起塑性变形。因此，它具有脆性，即在施加外力时不能缓和裂纹周围产生的应力集中而导致断裂。由于这种脆性，很难保证大型陶瓷部件的可靠性，因此只有直接暴露在恶劣环境中的小部件（涂层等）由陶瓷制成，并与异种材料比如金属制成的部件接合，可以用来做制品。然而，当异种材料的接头暴露于温度变化时，陶瓷可能会因为无法承受热膨胀率差异引起的应变而破裂。为了将陶瓷用作耐热材料，提高它们对这种热断裂的耐久性是重要的。
近日，东京大学发布的与名古屋大学、物质材料研究机构(NIMS)的共同研究成果表明，陶瓷通过通电降低弹性，同时保持硬度，使材料更具柔韧性。以氧化钇稳定氧化锆为代表的工程陶瓷利用其优异的硬度、耐热性、耐腐蚀性等优点，被用作高级结构材料，但与金属等不同材料接合时，会受到温度变化的影响。存在无法承受因热膨胀率的差异引起的应变而导致故障的问题。如果可以通过通电处理改变迄今为止难以控制的材料的弹性模量，则有可能实现可承受大应变的新型陶瓷。这项研究成果于2022年2月4日发表在Elsevier的科学期刊“Acta Materialia”上。
在这项研究中，为了开发利用通电引入的点缺陷的新材料功能，对于致密的氧化钇稳定氧化锆样品，炉温为600°C，电流密度为400 mA/mm2。10分钟后通电时，材料的机械性能通过声速测量和纳米压痕测量进行评估。
(a)样品在通电处理过程中的外观，(b)接触弹性模量对负载速度的依赖性
结果发现，当对样品缓慢施加力时，弹性模量最多降低30%，材料变得柔韧，硬度得以保持。声速测量得到的高速区弹性模量在通电处理前后没有变化，而纳米压痕测量得到的低速区弹性模量在通电处理后大大降低，这种趋势越来越明显，随着装载和卸载速度的降低而显著。物理性质随速度变化的机制称为热活化过程，通过通电处理在材料中形成的点缺陷在克服活化能的同时可逆地移动。
材料在缓慢施加力时变得柔韧的特性类似于主要在聚合物中看到的粘弹性变形，并且在保持硬度的同时像聚合物一样柔韧，如果陶瓷能够实现这一点，将有可能提高各种陶瓷部件的可靠性。例如，通过降低陶瓷的弹性模量，可以提高陶瓷与异种材料如金属等接合时的热断裂耐久性，因此有望提高陶瓷部件的可靠性。
（中国粉体网编译/平安）
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