中國粉體網(wǎng)訊 普渡大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)陶瓷材料在承受重載時(shí)可以克服脆性，從而更具彈性。這可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的涂料和牙種植體。
普渡大學(xué)的研究人員首次發(fā)現(xiàn)，陶瓷在電場下受到較高壓縮應(yīng)變量時(shí)，將發(fā)生塑性變形而非脆斷。（圖為：研究生助理Jaehun Cho和李強(qiáng)。圖片來源：普渡大學(xué)影像/ Vincent Walter）
雖然陶瓷本身硬度很高，但大多數(shù)陶瓷稍加負(fù)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?zé)Y(jié)的漫長過程，粉末體才能黏結(jié)成固體。
這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)金屬葉片的陶瓷涂層來說非常關(guān)鍵，涂層主要是保護(hù)金屬葉片在一定程度上免受運(yùn)行溫度的影響�！蹲匀弧ㄓ崱冯s志上的一項(xiàng)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(shí)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(shí)慢慢形成的，工程師們可以看到它以便及時(shí)補(bǔ)救。
材料工程系的教授張邢航說：“之前，我們?cè)诘蜏貢r(shí)對(duì)陶瓷施加高負(fù)載，大多數(shù)陶瓷會(huì)毫無征兆地脆裂�，F(xiàn)在，我們?cè)谔沾蓴嗔亚熬涂梢杂^察到裂縫的生成，這對(duì)預(yù)防材料失效更為有效。”
近期研究表明，對(duì)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(xué)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(hù)金屬基本不受熱。但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)因殘余應(yīng)力而變熱和冷卻時(shí)，涂層往往會(huì)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(cuò)——原子在變形過程中拖動(dòng)額外的原子面，使材料在負(fù)載作用下進(jìn)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(cuò)會(huì)在壓縮或拉伸的作用下移動(dòng)，這樣材料就不會(huì)失效。”
除非在非常高的溫度下變形，陶瓷一般不會(huì)形成位錯(cuò)。然而，閃光燒結(jié)將引入這些位錯(cuò)，并使位錯(cuò)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(huì)隨著陶瓷材料的變形而滑動(dòng)，幫助它更好地變形”王海燕教授說。
由于預(yù)先存在位錯(cuò)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(jìn)行壓縮將提高材料的塑性。在400攝氏度時(shí)裂紋開始緩慢擴(kuò)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(duì)較低溫度操作時(shí)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(yīng)變量。
張教授說：“金屬材料可以承受10%至20%的壓縮應(yīng)變量，但是如果對(duì)陶瓷材料施加2-3%的壓縮應(yīng)變量，陶瓷往往會(huì)脆裂成碎片。我們的實(shí)驗(yàn)表明，閃光燒結(jié)陶瓷可以承受7-10%的壓縮應(yīng)變量而不斷裂。”
即使樣品開始出現(xiàn)裂紋，它的形成也會(huì)非常緩慢，并且不會(huì)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(shè)計(jì)更具彈性的陶瓷材料。
如果普渡大學(xué)生命科學(xué)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(xué)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(jí)陶瓷樣品的原位實(shí)驗(yàn)。兩臺(tái)顯微鏡均由普渡大學(xué)的執(zhí)行副總裁辦公室（研究與合作伙伴）和工程與科學(xué)學(xué)院提供。
普渡大學(xué)主持的這項(xiàng)研究得到了海軍研究辦公室與加利福尼亞大學(xué)、戴維斯大學(xué)和羅格斯大學(xué)的合作支持。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
