Ny teknik til at forbedre duktiliteten af ​​keramiske materialer til missiler, motorer

Noget så simpelt som et elektrisk felt kunne snart gøre krigsmissiler eller drikkekrus nemmere at producere og mere modstandsdygtige over for brud.

Ting som drikkekrus, missilhoveder, termiske barrierebelægninger på motorblade, Autodele, elektroniske og optiske komponenter er almindeligvis lavet med keramik.

Keramikken er mekanisk stærk, men har en tendens til pludselig at knække, når den kun er lidt anstrengt under en belastning, medmindre den udsættes for høje temperaturer.

Forskere fra Purdue University har udviklet en ny proces for at hjælpe med at overvinde keramiks skøre natur og gøre den mere duktil og holdbar. Purdue-teamet kalder processen "flash sintring, " som tilføjer et elektrisk felt til den konventionelle sintringsproces, der bruges til at danne bulkkomponenter fra keramik.

"Vi har været i stand til at vise, at selv ved stuetemperaturer, keramik sintret med det elektriske felt deformeres overraskende plastisk før brud, når det komprimeres ved høj belastning, " sagde Haiyan Wang, Basil S. Turner professor i ingeniørvidenskab ved Purdues College of Engineering.

En undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt demonstrerer, at påføring af et elektrisk felt til dannelsen af ​​keramik gør materialet næsten lige så let omformet som metal ved stuetemperatur. Purdue-teamet anvendte specifikt sin teknik til titaniumdioxid, et meget brugt hvidt pigment.

"Nanotwins er blevet introduceret i forskellige metalliske materialer for at forbedre styrke og duktilitet. der er få tidligere undersøgelser, der viser, at nanotwins og stablingsfejl kan forbedre plasticiteten af ​​keramik markant, " sagde Jin Li, en postdoc og forsker på forskerholdet.

Den væsentligt forbedrede duktilitet ved stuetemperatur i titaniumdioxid tilskrives de usædvanligt højdensitetsdefekter, såsom stablingsfejl, tvillinger og dislokationer, dannet gennem flashsintringsprocessen.

"Eksistensen af ​​disse defekter fjerner behovet for defektkernedannelse i keramik, som typisk kræver en stor kernedannelsesspænding, større end brudspændingen af ​​keramik, " sagde Wang.

Li, den første forfatter til artiklen fra Purdue, sagde, "Vores resultater er vigtige, fordi de åbner døren for at bruge mange forskellige keramik på nye måder, der kan give mere fleksibilitet og holdbarhed til at opretholde tunge belastninger og høje temperaturer uden katastrofale sprøde fejl."

Forbedret plasticitet for keramik betyder mere mekanisk holdbarhed 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.

"Disse duktile keramik finder mange teknologisk vigtige anvendelser, " sagde Xinghang Zhang, professor i materialeteknik og co-principal investigator på forskerholdet. "Det kan anvendes til forsvarsoperationer, bilproduktion, atomreaktorkomponenter og bæredygtige energianordninger."