Purdue-onderzoekers hebben een manier waargenomen waarop de broze aard van keramiek kan worden overwonnen omdat ze zware lasten dragen, wat leidt tot meer veerkrachtige structuren zoals coatings voor vliegtuigmotoren en tandheelkundige implantaten.

Hoewel inherent sterk, de meeste keramiek hebben de neiging om plotseling te breken wanneer ze slechts licht worden belast onder een belasting, tenzij ze worden blootgesteld aan hoge temperaturen. Structurele keramische componenten vereisen ook hoge temperaturen om zich in de eerste plaats te vormen door een langdurig proces dat sinteren wordt genoemd, waarin een poedervormig materiaal samensmelt tot een vaste massa.

Deze problemen zijn met name problematisch voor keramische coatings van metalen motorbladen die bedoeld zijn om metalen kernen te beschermen tegen een reeks bedrijfstemperaturen. Een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie toont voor het eerst aan dat het toepassen van een elektrisch veld op de vorming van met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ), een typische thermische barrière keramiek, maakt het materiaal bijna net zo plastic, of gemakkelijk hervormd, als metaal bij kamertemperatuur. Ingenieurs kunnen ook eerder scheuren zien, omdat ze zich langzaam beginnen te vormen bij een gematigde temperatuur in plaats van bij hogere temperaturen. waardoor ze tijd hebben om een ​​structuur te redden.

"Vroeger, toen we een hoge belasting toepasten bij lagere temperaturen, een groot aantal keramiek zou zonder waarschuwing catastrofaal falen, " zei Xinghang Zhang, hoogleraar materiaalkunde. "Nu kunnen we de scheuren zien aankomen, maar het materiaal blijft bij elkaar; dit is voorspelbaar falen en veel veiliger voor het gebruik van keramiek."

Recente studies hebben aangetoond dat het toepassen van een elektrisch veld, of "flits, " aanzienlijk versnelt het sinterproces dat YSZ en andere keramiek vormt, en bij veel lagere oventemperaturen dan conventioneel sinteren. Flash-gesinterd keramiek heeft ook zeer weinig porositeit, waardoor ze dichter en dus gemakkelijker te vervormen. Geen enkele heeft het vermogen van flash-gesinterde keramiek om van vorm te veranderen bij kamertemperatuur of steeds hogere temperaturen getest.

"YSZ is een zeer typische thermische barrièrecoating - het beschermt in feite een metalen kern tegen hitte, " zei Haiyan Wang, Purdue's Basil S. Turner hoogleraar techniek. "Maar het heeft de neiging om veel breuken te hebben wanneer een motor opwarmt en afkoelt als gevolg van restspanningen."

Wat ervoor zorgt dat metalen breukvast zijn en gemakkelijk van vorm kunnen veranderen, is de aanwezigheid van "defecten, " of dislocaties - extra vlakken van atomen die tijdens vervorming schudden om een ​​materiaal eenvoudig te laten vervormen in plaats van te breken onder een belasting.

"Deze dislocaties zullen bewegen onder druk of spanning, zodat het materiaal niet faalt, " zei Jaehun Cho, een afgestudeerde onderzoeksassistent in materiaalkunde.

Keramiek vormt normaal gesproken geen dislocaties, tenzij vervormd bij zeer hoge temperaturen. Flash-sintering ze, echter, introduceert deze dislocaties en creëert een kleinere korrelgrootte in het resulterende materiaal.

"Kleinere granen, zoals nanokristallijne korrels, kan schuiven als het keramische materiaal vervormt, helpen om het beter te vervormen, ' zei Wang.

Reeds bestaande dislocaties en kleine korrelgroottes zorgden ervoor dat een flash-gesinterd YSZ-monster, dunner dan mensenhaar, steeds plastischer werd tussen kamertemperatuur en 600 graden Celsius wanneer het werd samengeperst, met scheuren die zich langzaam beginnen te verspreiden bij 400 graden in tegenstelling tot conventioneel gesinterd YSZ dat 800 graden en hoger nodig heeft om plastisch te vervormen.

Verbeterde plasticiteit betekent meer stabiliteit tijdens bedrijf bij relatief lage temperaturen. Het monster was ook bestand tegen bijna net zoveel drukbelasting als sommige metalen voordat er scheuren begonnen te ontstaan.

"Metalen kunnen worden gecomprimeerd tot 10 of 20 procent spanning, geen probleem, maar keramiek breekt vaak in stukken als je ze comprimeert tot minder dan 2-3 procent spanning, "Zei Zhang. "We laten zien dat flash-gesinterd keramiek kan worden gecomprimeerd tot 7-10 procent zonder catastrofale breuk."

Zelfs toen het monster begon te barsten, de scheuren vormden zich zeer langzaam en resulteerden niet in volledige ineenstorting zoals typisch zou gebeuren met conventionele keramiek. De volgende stappen zouden zijn om deze principes te gebruiken om nog veerkrachtiger keramische materialen te ontwerpen.

De onderzoekers zouden niet in staat zijn geweest om in-situ experimenten uit te voeren met een keramisch monster ter grootte van een micron zonder een in-situ nanomechanisch testinstrument in een hoge resolutie scanning elektronenmicroscoop uitgerust met een gerichte ijzeren bundel tool in Purdue's Life Science Microscopy Center en een FEI Talos 200X elektronenmicroscoopfaciliteit in de Materials Engineering-faciliteit van Purdue. Beide microscopen werden geleverd door Purdue's Office of the Executive Vice President for Research and Partnerships en de Colleges of Engineering and Science. Purdue verwacht een nog hogere resolutie aberratie-gecorrigeerde microscoop die de onderzoekers binnenkort zullen gebruiken voor toekomstig onderzoek naar nanomaterialen.