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普渡大学发现新方法 改变陶瓷承重时的易碎性能

核心提示: 2018年5月29日,普渡大学宣布开发出一种方法,能够改变陶瓷承受重负荷时的易碎性能,使其具有类似金属的塑性,可用于改进飞机发动机叶片涂层等。

2018年5月29日,普渡大学宣布开发出一种方法,能够改变陶瓷承受重负荷时的易碎性能,使其具有类似金属的塑性,可用于改进飞机发动机叶片涂层等。

虽然陶瓷本身具有一定的强度,但大多数陶瓷在承受负载时受到轻微的拉力就容易突然发生断裂,这一问题对于金属发动机叶片的陶瓷涂层来说尤其重要,该涂层用于保护重要金属部件在一定范围的工作温度下免受影响。而现在可利用高温解决这一问题。研究首次验证了将电场用于典型的热障陶瓷——氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),使得该材料像室温下的金属一样具有塑性或易于形变。随着温度缓慢地下降,陶瓷仍然会产生裂纹,但是有时间可以对其进行修复。该研究成果已发表在《Nature Communications》杂志上。

在陶瓷成形期间施加电场使其具有承受重负载而不会突然断裂的类金属特性

过去,在较低温度下对陶瓷材料施加高负荷时,其中的大部分会在没有任何预兆的情况下彻底断裂。经过研究,施加电场能够显著加快YSZ和其他陶瓷的烧结过程,并且无需传统烧结的超高炉温。经过快速烧结(Flash-sintering)的陶瓷具有非常小的孔隙率,因此它们更加致密,且更易于发生形变。

YSZ是一种非常典型的热障涂层材料,可用于保护重要金属部件免受高温的影响,但当发动机由于残余应力而发热和冷却时,它往往会产生很多的裂缝。金属具有抗断裂和易于形变的特性是由于存在“缺陷(defects)”或位错(dislocations)——即在变形过程额外的原子层发生转移,从而使材料在负载下发生形变而不会断裂。然而,陶瓷通常不会形成位错,除非在非常高的温度下,将它们进行快速烧结会发生位错,并在所得材料中产生较小的晶粒尺寸。更小的晶粒(如纳米晶粒)会随着陶瓷材料的形变而发生滑动,从而有助于形变过程。

研究表明,对于比人类头发还要薄YSZ样品,通过快速烧结实现位错和小晶粒尺寸,在室温到600℃之间塑性逐渐提高,在400℃时裂纹开始实现缓慢扩散,而传统烧结的YSZ需要800℃或者更高的情况下才能发生塑性变形。材料塑性的提高意味着在相对较低的温度下工作时更加稳定。在裂纹开始出现之前,样品可承受与某些金属一样的压应力。研究人员表示,金属的压缩应变一般在10%—20%之间,但是陶瓷在压缩应变不到2%—3%时,往往就会破裂成碎片。经过研究证明,快速烧结后的陶瓷在压缩应变7%—10%时不会发生严重断裂。

虽然样品也会产生裂纹,但裂纹的形成速度非常缓慢,并且不会像传统陶瓷那样的发生彻底断裂。下一步,研究团队将采用这一原理来设计更具弹性的陶瓷材料。该项由普渡大学牵头的研究得到了海军研究办公室的支持,参与研究的还包括加州大学戴维斯分校和罗格斯大学。(北方科技信息研究所 李良琦)

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责任编辑:实习编辑 臧航