研究人员提高陶瓷材料的室温可塑性

普渡大学工程学院的研究人员开发并验证了一种正在申请专利的方法，该方法可以通过提高陶瓷在室温下的塑性变形能力来扩大陶瓷的工业应用。

塑性或塑性变形能力是材料通过压缩、拉伸或剪切变形为特定形状或几何形状而不破裂的能力。通常，陶瓷材料在室温下表现出非常有限的塑性变形能力。

王海燕和张星航领导的普渡大学团队的方法通过首先在高温下脆性陶瓷中引入度缺陷来改善陶瓷的室温塑性变形能力。王是巴兹尔·S·特纳工程教授，张是普渡大学材料工程学院材料工程教授。

张说：“这种策略可以显着提高陶瓷的室温塑性变形能力，并有望在不久的将来注入陶瓷的延展性或拉制成近净形状的能力。”

该研究已发表在《科学进展》上。这种方法补充了他们之前关于通过闪速烧结方法改善陶瓷塑性变形能力的研究，该研究发表在2018年《自然通讯》杂志上。

“并非所有陶瓷材料都可以通过闪速烧结方法加工，”王说。“这种新方法可以推广到几乎所有陶瓷材料。”

陶瓷：有益但易碎

陶瓷材料在航空航天、交通运输、发电厂、制造业等行业用作结构材料;以及发动机和机器中的轴承、电容器、电绝缘材料、电池和燃料电池中的电极以及高温机器中的热障涂层等应用。

它们机械强度高且化学惰性;耐磨损、耐腐蚀;隔热和电;比金属更硬，熔点更高。这些属性意味着陶瓷材料可用于切割金属或容纳熔融金属并在高温下承受高应力。

陶瓷在室温下也很脆。它们只有在足够高的温度下才能激活位错活动时才会弯曲。相比之下，金属在室温下可以弯曲而不会断裂。

王说，陶瓷的位错很少，导致其脆​​性。位错是材料中的缺陷，会改变结构中原子的排列。

“位错可以在晶体内滑动，从而在一定的应力水平下实现塑性变形，”王说。“然而，在陶瓷材料中，在室温下很难使位错成核，因为陶瓷中的断裂应力远小于在这样的温度下使位错成核的应力。”

张说：“相比之下，金属材料具有延展性，因为它们很容易形核非常度的位错。而且位错在室温下在金属中是可移动的，显着提高了其延展性。因此，提高陶瓷塑性的方法是使大量位错形核。”在我们开始使陶瓷变形之前。”

提高延展性的技术

王说，人们为增强陶瓷的变形能力做出了广泛的努力，但收效甚微。

普渡大学团队通过在高温变形过程中预加载陶瓷材料，将位错引入陶瓷材料中。该团队的研究生沉超表示，陶瓷样品冷却后，位错会提高陶瓷在室温下的塑性。

“这种方法比闪速烧结方法更广泛地适用于各种陶瓷，因为并非所有陶瓷材料都可以通过闪速烧结进行加工，”王说。“在陶瓷的大规模加工和处理的实践中，预载位错也可能比闪速烧结更容易扩大规模。”

该技术已在他们的实验室中对各种陶瓷系统和不同尺寸的陶瓷柱进行了测试和验证。

“经过预加载处理后，单晶二氧化钛的变形能力显着增加，在室温下达到了10%的应变，”张说。“使用预加载技术，氧化铝还表现出塑性变形能力，应变为6%至7.5%。”

该研究团队(包括王、张和材料工程学教授R.EdwinGarcia及其研究生)将与业界合作，在各种陶瓷系统中大规模演示这种方法。