Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Undersøgelse viser, at keramik kan deformere som metaller, hvis det sintres under et elektrisk felt

Purdue-forskere observerede for første gang, hvordan keramik dannet under et elektrisk felt overraskende ændrer form i stedet for at gå i stykker, når det komprimeres ved høj belastning. På billedet:Uddannede forskningsassistenter Jaehun Cho og Qiang Li. Kredit:Purdue University billede/Vincent Walter

Purdue -forskere har observeret en måde, hvorpå keramikens sprøde natur kan overvindes, når den bærer tunge belastninger, fører til mere modstandsdygtige strukturer såsom belægninger af flymotorblade og tandimplantater.

Selvom det er stærkt, det meste keramik har en tendens til pludselig at gå i stykker, når det kun er let belastet under en belastning, medmindre det udsættes for høje temperaturer. Strukturelle keramiske komponenter kræver også høje temperaturer for at dannes i første omgang gennem en langvarig proces kaldet sintring, hvor et pulveriseret materiale samles til en fast masse.

Disse problemer er især problematiske for keramiske belægninger af metalmotorblade, der er beregnet til at beskytte metalkerner mod en række driftstemperaturer. En undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation demonstrerer for første gang, at anvendelse af et elektrisk felt til dannelsen af ​​yttria-stabiliseret zirconia (YSZ), en typisk termisk barriere keramik, gør materialet næsten som plast, eller let omformet, som metal ved stuetemperatur. Ingeniører kunne også se revner hurtigere, da de langsomt begynder at dannes ved en moderat temperatur i modsætning til højere temperaturer, give dem tid til at redde en struktur.

"I fortiden, når vi påførte en høj belastning ved lavere temperaturer, et stort antal keramik ville fejle katastrofalt uden varsel, " sagde Xinghang Zhang, professor i materialeteknik. "Nu kan vi se revnerne komme, men materialet forbliver sammen; dette er forudsigelig fejl og meget sikrere for brugen af ​​keramik."

Nylige undersøgelser har vist, at anvendelse af et elektrisk felt, eller "flash, "fremskynder signifikant sintringsprocessen, der danner YSZ og anden keramik, og ved meget lavere ovntemperaturer end konventionel sintring. Flash-sintret keramik har også meget lille porøsitet, hvilket gør dem mere tætte og derfor nemmere at deformere. Ingen har endnu testet evnen af ​​flash-sintret keramik til at ændre form ved stuetemperatur eller stadig højere temperaturer.

"YSZ er en meget typisk termisk barrierebelægning - den beskytter dybest set en metalkerne mod varme, " sagde Haiyan Wang, Purdues Basil S. Turner Professor i teknik. "Men den har en tendens til at lide af mange brud, når en motor varmer op og køler ned på grund af resterende spændinger."

Det, der tillader metaller at være brudbestandige og lette at ændre form, er tilstedeværelsen af ​​"defekter, " eller dislokationer - ekstra planer af atomer, der blander sig under deformation for at få et materiale til simpelthen at deformeres i stedet for at bryde under en belastning.

Påføring af et elektrisk felt på keramik under deres dannelse giver dem de metallignende egenskaber, der er nødvendige for at opretholde tunge belastninger uden pludseligt sammenbrud. Kredit:Purdue University billede/Jaehun Cho

"Disse dislokationer vil bevæge sig under kompression eller spænding, sådan at materialet ikke fejler, " sagde Jaehun Cho, en færdiguddannet forskningsassistent i materialeteknik.

Keramik danner normalt ikke dislokationer, medmindre de deformeres ved meget høje temperaturer. Flash-sintre dem, imidlertid, introducerer disse forskydninger og skaber en mindre kornstørrelse i det resulterende materiale.

"Mindre korn, såsom nanokrystallinske korn, kan glide, når det keramiske materiale deformeres, hjælpe den til at deformere bedre, " sagde Wang.

Eksisterende dislokationer og små kornstørrelser gjorde det muligt for en flash-sintret YSZ-prøve, der er tyndere end menneskehår, at vokse mere og mere plastisk mellem stuetemperatur og 600 grader Celsius, når den blev komprimeret, med revner, der langsomt begynder at sprede sig ved 400 grader i modsætning til konventionelt sintret YSZ, der kræver 800 grader og højere for at plastisk deformeres.

Forbedret plasticitet betyder mere stabilitet under drift ved relativt lave temperaturer. Prøven kunne også modstå næsten lige så meget kompressionsbelastning, som nogle metaller gør, før der begyndte at opstå revner.

"Metaller kan komprimeres til 10 eller 20 procent belastning, intet problem, men keramik går ofte i stykker, hvis du komprimerer dem til mindre end 2-3 procent belastning, "Zhang sagde." Vi viser, at flash-sintret keramik kan komprimeres til 7-10 procent uden katastrofale brud. "

Selv når prøven begyndte at revne, revnerne dannede sig meget langsomt og resulterede ikke i fuldstændig kollaps, som det typisk ville ske med konventionel keramik. De næste trin ville være at bruge disse principper til at designe endnu mere modstandsdygtige keramiske materialer.

Forskerne ville ikke have været i stand til at udføre in-situ-eksperimenter med en keramisk prøve i mikronstørrelse uden et in-situ nanomekanisk testværktøj inde i et højopløsnings scanningselektronmikroskop udstyret med et fokuseret jernstråleværktøj på Purdues Life Science Microscopy Center og en FEI Talos 200X elektronmikroskopfacilitet i Purdues Materials Engineering-facilitet. Begge mikroskoper blev leveret af Purdues kontor for Executive Vice President for Research and Partnerships og Colleges of Engineering and Science. Purdue forventer et endnu højere opløsning aberrationskorrigeret mikroskop, som forskerne snart vil bruge til fremtidig nanomaterialeforskning.


Varme artikler