Keramische materialen die bestand zijn tegen scheuren worden gebruikt in verschillende industrieën, van lucht- en ruimtevaarttechniek tot tandheelkunde. Het is dan ook een belangrijk onderzoeksgebied om ze aan te scherpen om hun efficiëntie en veiligheid te verbeteren. Onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben in de tijd opgeloste röntgendiffractie gebruikt om transformatieharding in zirkoniumkeramiek te observeren tijdens dynamische breuk. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

Met de huidige waarnemingsmethoden kan de vorming van scheuren in materialen in situ worden waargenomen terwijl belastingen worden uitgeoefend. Deze close-upanalyses kunnen veranderingen op zeer kleine schaal vastleggen met een snelle resolutie, duidelijke beelden van breuken en van hoe het materiaal ze weerstaat door middel van taaiheid.

Echter, transformatieharding van keramische materialen is gerelateerd aan veranderingen in hun rangschikking op atomair niveau, die met de beschikbare technieken niet te zien zijn. Een realtime beeld krijgen van dergelijke transformaties in de kristalstructuur is belangrijk om een ​​compleet beeld te krijgen van hoe materialen reageren op dynamische belasting.

De onderzoekers gebruikten daarom in de tijd opgeloste röntgendiffractie om het gedrag te volgen van met yttria gestabiliseerde tetragonale zirconia-polykristallen (Y-TZP) die werden onderworpen aan schokbelasting.

"Y-TZP is een veelgebruikt keramisch materiaal met een hoge sterkte en breuktaaiheid dat tal van toepassingen kent. Er is daarom veel aandacht om het beter te begrijpen, zodat we het kunnen blijven optimaliseren, " legt professor Atsushi Kyono uit. "Tot nu toe, we hebben geen duidelijk beeld gehad van wanneer in het breukproces kristalstructuurveranderingen plaatsvinden, dus ons begrip van transformatieverharding in Y-TZP was enigszins modderig."

Onder normale omstandigheden, Y-TZP heeft een tetragonale kristalstructuur. Dit veranderde niet toen de belasting werd toegepast. Echter, toen dynamische breuk begon, kleine hoeveelheden van de monokliene fase werden gedetecteerd. Dit gaf aan dat dynamische breuk bijdraagt ​​aan het transformatiehardingsproces.

De onderzoekers toonden aan dat transformatieharding gerelateerd is aan een proces dat bekend staat als spall-fractuur, wat inzicht geeft in de oorsprong van de hoge spall-sterkte van zirkonia keramiek.

"Naast het onthullen van enkele van de onderliggende oorzaken voor het gedrag van zirkoniumkeramiek, we hebben de haalbaarheid aangetoond van onze methode voor in situ analyse van kristalstructuurveranderingen, ", zegt Sota Takagi, eerste auteur van het onderzoek. "Wij geloven dat onze bevindingen zullen bijdragen aan de verdere ontwikkeling van taai keramiek voor een breed scala aan toepassingen, van elektrische isolatoronderdelen tot keukengerei."