Forskere forbedrer plasticiteten af ​​keramiske materialer ved stuetemperatur

Forskere ved Purdue University's College of Engineering har udviklet og valideret en patentanmeldt metode, der kan udvide de industrielle anvendelser af keramik ved at gøre dem mere plastisk deformerbare ved stuetemperatur.

Plasticitet eller plastisk deformerbarhed er et materiales evne til at blive deformeret ved kompression, spænding eller forskydning til en bestemt form eller geometri uden at gå i stykker. Typisk udviser keramiske materialer meget begrænset plastisk deformerbarhed under stuetemperatur.

Haiyan Wang og Xinghang Zhang leder et Purdue-team, hvis metode forbedrer plastisk deformerbarhed ved stuetemperatur ved først at introducere højdensitetsdefekter i skør keramik under høje temperaturer. Wang er Basil S. Turner professor i ingeniørvidenskab, og Zhang er professor i materialeteknik ved Purdues School of Materials Engineering.

"En sådan strategi kan på fremtrædende måde forbedre keramiks plastiske deformerbarhed ved stuetemperatur og rummer løftet om at injicere duktilitet eller evnen til at blive trukket til næsten nettoform af keramik i den nærmeste fremtid," sagde Zhang.

Forskningen er blevet publiceret i Science Advances . Denne tilgang supplerer deres tidligere forskning om forbedring af keramisk plastisk deformerbarhed via flashsintringsmetoden, som blev offentliggjort i et 2018-nummer af Nature Communications .

"Ikke alle keramiske materialer kan behandles ved flash sintringsmetoden," sagde Wang. "Denne nye metode kan generaliseres til næsten alle keramiske materialer."

Keramik:Fordelagtig, men alligevel skør

Keramiske materialer bruges som strukturelle materialer i industrier som rumfart, transport, kraftværker og fremstilling; og i applikationer såsom lejer i motorer og maskiner, kondensatorer, elektriske isoleringsmaterialer, elektroder i batterier og brændselsceller og termiske barrierebelægninger i højtemperaturmaskiner.

De er mekanisk stærke og kemisk inerte; modstå slid og korrosion; isolere mod varme og elektricitet; og er hårdere og har højere smeltepunkter end metaller. Disse egenskaber betyder, at keramiske materialer kan bruges til at skære metaller eller indeholde smeltede metaller og opretholde høje spændinger ved høje temperaturer.

Keramik er også skørt ved stuetemperatur; de bøjer kun ved høje nok temperaturer, når dislokationsaktivitet kan aktiveres. Metaller derimod bøjer uden at gå i stykker ved stuetemperatur.

Wang sagde, at keramik har få dislokationer, hvilket forårsager deres sprøde natur. Dislokationer er defekter i materialer, der ændrer arrangementet af atomer i en struktur.

"En dislokation kan glide i krystaller for at muliggøre plastisk deformerbarhed ved visse stressniveauer," sagde Wang. "Men i keramiske materialer er det vanskeligt at nukleere dislokationer ved stuetemperatur, da brudspændingen i keramik er meget mindre end spændingen for at nukleere dislokationer ved sådanne temperaturer."

Zhang sagde:"I modsætning hertil er metalliske materialer duktile, fordi de let danner en meget høj tæthed af dislokationer. Og dislokationer er mobile i metaller ved stuetemperatur, hvilket forbedrer deres duktilitet betydeligt. Så måden at forbedre plasticiteten for keramik på er at danne rigelige dislokationer i keramik, før vi begynder at deformere dem."

Teknik til at forbedre duktiliteten

Wang sagde, at der er blevet gjort en omfattende indsats for at forbedre deformerbarheden af ​​keramik, men med kun begrænset succes.

Purdue-teamet har indført dislokationer i keramiske materialer ved at forbelaste dem under deformation ved høje temperaturer. Chao Shen, en kandidatstuderende på holdet, sagde, at når først de keramiske prøver er afkølet, forbedrer dislokationerne plasticiteten af ​​keramik ved stuetemperatur.

"Denne metode er mere anvendelig til en bred vifte af keramik end metoden til flash sintring, da ikke alle keramiske materialer kan behandles ved flash sintring," sagde Wang. "Preloading dislokationer kan også være meget lettere at skalere op i praksis til storskala behandling og behandling af keramik end flash sintring."

Teknikken er blevet testet og valideret i deres laboratorium på forskellige keramiske systemer og keramiske søjler af forskellige dimensioner.

"Efter forbelastningsbehandlingen udviste enkeltkrystal titaniumdioxid en væsentlig stigning i deformerbarheden, hvilket opnåede 10% belastning ved stuetemperatur," sagde Zhang. "Aluminiumoxid viste også plastisk deformerbarhed, 6 % til 7,5 % belastning, ved brug af forbelastningsteknikken."

Forskerholdet – inklusive Wang, Zhang og R. Edwin Garcia, professor i materialeteknik, og deres kandidatstuderende – vil samarbejde med industrien om demonstrationer i stor skala af denne tilgang i forskellige keramiske systemer.

Wang og Zhang afslørede innovationen til Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, som har ansøgt om et patent fra U.S. Patent and Trademark Office for at beskytte den intellektuelle ejendom.

Flere oplysninger: Chao Shen et al., At opnå plasticitet ved stuetemperatur i skør keramik gennem forladning ved forhøjet temperatur, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4079

Journaloplysninger: Nature Communications , Videnskabelige fremskridt

Leveret af Purdue University