Lo studio dimostra che la ceramica può deformarsi come i metalli se sinterizzata sotto un campo elettrico

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Anonim

I ricercatori di Purdue hanno osservato un modo in cui la natura fragile della ceramica può essere superata in quanto sostengono carichi pesanti, portando a strutture più resilienti come rivestimenti delle pale dei motori dei velivoli e impianti dentali.

Sebbene intrinsecamente forti, la maggior parte delle ceramiche tende a fratturarsi improvvisamente quando è appena tesa sotto un carico a meno che non sia esposta a temperature elevate. I componenti strutturali in ceramica richiedono inoltre alte temperature per la prima volta attraverso un lungo processo chiamato sinterizzazione, in cui un materiale in polvere si fonde in una massa solida.

Questi problemi sono particolarmente problematici per i rivestimenti ceramici delle lame di motori metallici destinati a proteggere le anime di metallo da una gamma di temperature operative. Uno studio pubblicato su Nature Communications dimostra per la prima volta che l'applicazione di un campo elettrico alla formazione di zirconia stabilizzata da ittrio (YSZ), una tipica ceramica a barriera termica, rende il materiale quasi come plastica, o facilmente rimodellato, come metallo a temperatura ambiente. Gli ingegneri potrebbero anche vedere prima le crepe dal momento in cui iniziano a formarsi lentamente a una temperatura moderata rispetto alle temperature più alte, dando loro il tempo di salvare una struttura.

"In passato, quando applicavamo un carico elevato a temperature più basse, un gran numero di ceramiche fallirebbe in modo catastrofico senza preavviso", ha detto Xinghang Zhang, professore di ingegneria dei materiali. "Ora possiamo vedere le crepe che arrivano, ma il materiale rimane insieme: questo è prevedibile fallimento e molto più sicuro per l'uso della ceramica".

Recenti studi hanno dimostrato che l'applicazione di un campo elettrico, o "flash", accelera in modo significativo il processo di sinterizzazione che forma YSZ e altre ceramiche, e con temperature del forno molto più basse rispetto alla sinterizzazione convenzionale. Anche le ceramiche sinterizzate con il flash hanno una pochissima porosità, che le rende più dense e quindi più facili da deformare. Nessuno ha ancora testato la capacità delle ceramiche sinterizzate da flash di cambiare forma a temperatura ambiente o temperature sempre più elevate.

"YSZ è un rivestimento barriera termico molto tipico, protegge fondamentalmente un nucleo di metallo dal calore", ha detto Haiyan Wang, Basil S. Turner Professor of Engineering di Purdue. "Ma tende a soffrire di molte fratture quando un motore si riscalda e si raffredda a causa di stress residui".

Ciò che consente ai metalli di essere resistenti alla frattura e di modificare facilmente la forma è la presenza di "difetti" o dislocazioni - piani extra di atomi che si spostano durante la deformazione per fare in modo che un materiale si deformi piuttosto che rompere sotto un carico.

"Queste dislocazioni si muoveranno sotto compressione o tensione, in modo tale che il materiale non fallisca", ha detto Jaehun Cho, un ricercatore laureato in ingegneria dei materiali.

Le ceramiche normalmente non formano dislocazioni se non deformate a temperature molto elevate. La loro sinterizzazione flash, tuttavia, introduce queste dislocazioni e crea una granulometria più piccola nel materiale risultante.

"I grani più piccoli, come i grani nanocristallini, possono scivolare mentre il materiale ceramico si deforma, aiutandolo a deformarsi meglio", ha detto Wang.

Le dislocazioni preesistenti e le piccole dimensioni dei granuli hanno permesso a un campione YSZ sinterizzato più sottile dei capelli umani di crescere sempre di più tra temperatura ambiente e 600 gradi Celsius quando compresso, con incrinature che iniziano a diffondersi lentamente a 400 gradi rispetto a YSZ convenzionalmente sinterizzato che richiede 800 gradi e oltre per deformarsi plasticamente.

Plasticità migliorata significa maggiore stabilità durante il funzionamento a temperature relativamente basse. Il campione potrebbe anche sopportare pressioni di compressione pressoché simili a quelle di alcuni metalli prima che iniziassero a comparire crepe.

"I metalli possono essere compressi a una deformazione del 10 o 20 percento, nessun problema, ma la ceramica spesso si rompe in pezzi se li comprime a meno del 2-3 percento di sforzo", ha detto Zhang. "Dimostriamo che la ceramica sinterizzata può essere compressa al 7-10 percento senza frattura catastrofica".

Anche quando il campione ha iniziato a incrinarsi, le fessure si sono formate molto lentamente e non hanno provocato il collasso completo come accadrebbe tipicamente con le ceramiche convenzionali. I prossimi passi utilizzerebbero questi principi per progettare materiali ceramici ancora più resistenti.

I ricercatori non sarebbero stati in grado di eseguire esperimenti in situ di un campione ceramico di dimensioni micron senza uno strumento di test nanomeccanico in situ all'interno di un microscopio elettronico a scansione ad alta risoluzione dotato di uno strumento focalizzato per il fascio di ferro presso il Centro di microscopia scientifica Life Science di Purdue e un microscopio elettronico FEI Talos 200X nella struttura di ingegneria dei materiali di Purdue. Entrambi i microscopi sono stati forniti dall'ufficio di Purdue del Vicepresidente esecutivo per la ricerca e le partnership e le università di ingegneria e scienza. Purdue si aspetta un microscopio con correzione dell'aberrazione ancora più alta risoluzione che i ricercatori utilizzeranno presto per la ricerca futura sui nanomateriali.

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