中國粉體網(wǎng)訊 普渡大學的研究人員發(fā)現(xiàn)陶瓷材料在承受重載時可以克服脆性，從而更具彈性。這可應用于航空發(fā)動機葉片的涂料和牙種植體。
普渡大學的研究人員首次發(fā)現(xiàn)，陶瓷在電場下受到較高壓縮應變量時，將發(fā)生塑性變形而非脆斷。（圖為：研究生助理Jaehun Cho和李強。圖片來源：普渡大學影像/ Vincent Walter）
雖然陶瓷本身硬度很高，但大多數(shù)陶瓷稍加負載就突然斷裂，除非置于高溫環(huán)境。結(jié)構(gòu)陶瓷首先要經(jīng)過高溫燒結(jié)的漫長過程，粉末體才能黏結(jié)成固體。
這對于發(fā)動機金屬葉片的陶瓷涂層來說非常關(guān)鍵，涂層主要是保護金屬葉片在一定程度上免受運行溫度的影響。《自然—通訊》雜志上的一項研究首次表明，釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ，一種典型的熱障陶瓷）經(jīng)電場燒結(jié)后容易重新塑形，并且在室溫時具有和金屬幾乎一樣的塑性。由于裂縫是在中溫而非高溫時慢慢形成的，工程師們可以看到它以便及時補救。
材料工程系的教授張邢航說：“之前，我們在低溫時對陶瓷施加高負載，大多數(shù)陶瓷會毫無征兆地脆裂。現(xiàn)在，我們在陶瓷斷裂前就可以觀察到裂縫的生成，這對預防材料失效更為有效�！�
近期研究表明，對YSZ或其他陶瓷材料施加電場或“閃光”，將在比傳統(tǒng)燒結(jié)爐溫低很多的情況下，顯著加快其燒結(jié)過程。閃光燒結(jié)陶瓷具有非常小的孔隙率，這使得它們更加致密，同樣也更容易變形。目前還未測試閃光燒結(jié)陶瓷在室溫或較高溫度下的變形能力。
普渡大學工程教授王海燕說：“YSZ是一種非常典型的熱障涂層，它可以保護金屬基本不受熱。但當發(fā)動機因殘余應力而變熱和冷卻時，涂層往往會產(chǎn)生很多裂紋。”
金屬斷裂和塑性變形是由于材料內(nèi)部存在“缺陷”或位錯——原子在變形過程中拖動額外的原子面，使材料在負載作用下進行簡單變形而非斷裂。
材料工程系研究生助理Jaehun Cho稱：“這些位錯會在壓縮或拉伸的作用下移動，這樣材料就不會失效�！�
除非在非常高的溫度下變形，陶瓷一般不會形成位錯。然而，閃光燒結(jié)將引入這些位錯，并使位錯在材料中具有較小的晶粒尺寸。
“較小的顆粒，如納米晶粒，可能會隨著陶瓷材料的變形而滑動，幫助它更好地變形”王海燕教授說。
由于預先存在位錯和較小的顆粒尺寸，閃光燒結(jié)的YSZ樣品比人類的頭發(fā)更薄。在室溫和600攝氏度之間進行壓縮將提高材料的塑性。在400攝氏度時裂紋開始緩慢擴散，而傳統(tǒng)燒結(jié)的YSZ則需要800攝氏度和更高的塑性變形量才能產(chǎn)生裂紋。
塑性的提高意味著在相對較低溫度操作時穩(wěn)定性更高。在裂紋開始出現(xiàn)之前，YSZ樣品也可以承受與某些金屬材料同樣多的壓縮應變量。
張教授說：“金屬材料可以承受10%至20%的壓縮應變量，但是如果對陶瓷材料施加2-3%的壓縮應變量，陶瓷往往會脆裂成碎片。我們的實驗表明，閃光燒結(jié)陶瓷可以承受7-10%的壓縮應變量而不斷裂�！�
即使樣品開始出現(xiàn)裂紋，它的形成也會非常緩慢，并且不會像傳統(tǒng)陶瓷那樣完全失效。下一步將依據(jù)這些原理來設計更具彈性的陶瓷材料。
如果普渡大學生命科學顯微中心的高分辨率掃描電鏡（配有聚焦鐵束工具）內(nèi)沒有原位納米力學測試工具，亦或沒有材料工程系的FEI Talos 200X電鏡，研究人員將無法完成微米級陶瓷樣品的原位實驗。兩臺顯微鏡均由普渡大學的執(zhí)行副總裁辦公室（研究與合作伙伴）和工程與科學學院提供。
普渡大學主持的這項研究得到了海軍研究辦公室與加利福尼亞大學、戴維斯大學和羅格斯大學的合作支持。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
