Wetenschap
Onderzoekers verbeteren de plasticiteit van keramische materialen bij kamertemperatuur
Onderzoekers van het College of Engineering van Purdue University hebben een methode ontwikkeld en gevalideerd, waarvoor patent is aangevraagd, die de industriële toepassingen van keramiek zou kunnen uitbreiden door ze plastisch vervormbaarder te maken bij kamertemperatuur.
Plasticiteit of plastische vervormbaarheid is het vermogen van een materiaal om door compressie, spanning of afschuiving te worden vervormd tot een specifieke vorm of geometrie zonder te breken. Typisch vertonen keramische materialen een zeer beperkte plastische vervormbaarheid bij kamertemperatuur.
Haiyan Wang en Xinghang Zhang leiden een Purdue-team wiens methode de plastische vervormbaarheid van keramiek bij kamertemperatuur verbetert door eerst defecten met hoge dichtheid in brosse keramiek onder hoge temperaturen te introduceren. Wang is de Basil S. Turner Professor of Engineering en Zhang is professor in materiaalkunde aan Purdue's School of Materials Engineering.
"Een dergelijke strategie kan de plastische vervormbaarheid van keramiek bij kamertemperatuur aanzienlijk verbeteren, en houdt de belofte in om in de nabije toekomst ductiliteit, of het vermogen om in een bijna netvorm te worden getrokken, van keramiek te injecteren", aldus Zhang.
Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances . Deze aanpak vormt een aanvulling op hun eerdere onderzoek naar het verbeteren van de vervormbaarheid van keramische kunststoffen via de methode van flash-sinteren, dat werd gepubliceerd in een uitgave van Nature Communications uit 2018. .
"Niet alle keramische materialen kunnen worden verwerkt met de flash-sintermethode", zei Wang. "Deze nieuwe methode kan worden gegeneraliseerd naar bijna alle keramische materialen."
Keramiek:nuttig en toch broos
Keramische materialen worden gebruikt als structurele materialen in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, transport, energiecentrales en productie; en in toepassingen zoals lagers in motoren en machines, condensatoren, elektrische isolatiematerialen, elektroden in batterijen en brandstofcellen, en thermische barrièrecoatings in machines met hoge temperaturen.
Ze zijn mechanisch sterk en chemisch inert; bestand tegen slijtage en corrosie; isoleren tegen hitte en elektriciteit; en zijn harder en hebben hogere smeltpunten dan metalen. Deze eigenschappen betekenen dat keramische materialen kunnen worden gebruikt om metalen te snijden of gesmolten metalen te bevatten en hoge spanningen bij hoge temperaturen kunnen weerstaan.
Keramiek is ook bros bij kamertemperatuur; ze buigen alleen bij voldoende hoge temperaturen wanneer dislocatieactiviteit kan worden geactiveerd. Metalen daarentegen buigen zonder te breken bij kamertemperatuur.
Wang zei dat keramiek weinig dislocaties heeft, wat hun broze aard veroorzaakt. Dislocaties zijn defecten in materialen die de rangschikking van atomen in een structuur veranderen.
"Een dislocatie kan in kristallen glijden om plastische vervormbaarheid bij bepaalde spanningsniveaus mogelijk te maken," zei Wang. "In keramische materialen is het echter moeilijk om dislocaties te kiemen bij kamertemperatuur, omdat de breukspanning in keramiek veel minder is dan de spanning om dislocaties bij dergelijke temperaturen te kiemen."
Zhang zei:"Metallische materialen zijn daarentegen ductiel omdat ze gemakkelijk een zeer hoge dichtheid aan dislocaties kunnen veroorzaken. En dislocaties zijn mobiel in metalen bij kamertemperatuur, waardoor hun ductiliteit aanzienlijk wordt verbeterd. Dus de manier om de plasticiteit van keramiek te verbeteren is door overvloedige dislocaties te veroorzaken. in keramiek voordat we ze gaan vervormen."
Techniek om de ductiliteit te verbeteren
Wang zei dat er uitgebreide inspanningen zijn geleverd om de vervormbaarheid van keramiek te verbeteren, maar met slechts beperkt succes.
Het Purdue-team heeft dislocaties in keramische materialen geïntroduceerd door ze voor te belasten tijdens vervorming bij hoge temperaturen. Chao Shen, een afgestudeerde student van het team, zei dat zodra de keramische exemplaren zijn afgekoeld, de dislocaties de plasticiteit van keramiek bij kamertemperatuur verbeteren.
"Deze methode is breder toepasbaar op een breed scala aan keramiek dan de methode van flash-sinteren, omdat niet alle keramische materialen kunnen worden verwerkt door flash-sinteren, " zei Wang. "Het voorladen van dislocaties kan in de praktijk ook veel gemakkelijker opschalen voor grootschalige verwerking en behandeling van keramiek dan flash-sinteren."
De techniek is in hun laboratorium getest en gevalideerd op verschillende keramische systemen en keramische pilaren van verschillende afmetingen.
"Na de voorbelastingsbehandeling vertoonde monokristallijn titaniumdioxide een aanzienlijke toename in vervormbaarheid, waarbij een spanning van 10% werd bereikt bij kamertemperatuur", aldus Zhang. "Aluminiumoxide vertoonde ook plastische vervormbaarheid, 6% tot 7,5% rek, met behulp van de voorbelastingstechniek."
Het onderzoeksteam, bestaande uit Wang, Zhang en R. Edwin Garcia, hoogleraar materiaalkunde, en hun studenten, zal met de industrie samenwerken aan grootschalige demonstraties van deze aanpak in verschillende keramische systemen.
Wang en Zhang hebben de innovatie bekendgemaakt aan het Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, dat een patent heeft aangevraagd bij het Amerikaanse Patent and Trademark Office om het intellectuele eigendom te beschermen.