Такие предметы, как кружки для питья, ракетные головки, термобарьерные покрытия на лопастях двигателя, автозапчасти, электронные и оптические компоненты обычно изготавливаются из керамики.
Керамика механически прочна, но имеет тенденцию внезапно ломаться при небольшом напряжении под нагрузкой, если не подвергается воздействию высоких температур.
Исследователи из Университета Пердью разработали новый процесс, который помогает преодолеть хрупкость керамики и сделать ее более пластичной и долговечной.
Команда Purdue называет этот процесс «мгновенным спеканием», который добавляет электрическое поле к обычному процессу спекания, используемому для формирования объемных компонентов из керамики.
«Мы смогли показать, что даже при комнатной температуре керамика, спеченная под действием электрического поля, неожиданно пластически деформируется до разрушения при сжатии при высокой деформации», – сказал Хайян Ван, специалист Basil S. Тернер, профессор инженерии в инженерном колледже Пердью.
Исследование, опубликованное в Science Advances, демонстрирует, что приложение электрического поля к формированию керамики делает материал почти таким же легко измененным, как металл, при комнатной температуре. Команда Purdue специально применила эту технику к диоксиду титана, широко используемому белому пигменту.
«Нанодвинцы были введены в различные металлические материалы для повышения прочности и пластичности. Тем не менее, существует мало предварительных исследований, которые показывают, что нанодвойники и дефекты упаковки могут значительно улучшить пластичность керамики », – сказал Джин Ли, научный сотрудник и исследователь исследовательской группы.
Значительно повышенная пластичность диоксида титана при комнатной температуре объясняется дефектами необычно высокой плотности, такими как дефекты упаковки, двойники и дислокации, образующиеся в процессе мгновенного спекания.
«Существование этих дефектов устраняет необходимость зарождения дефектов в керамике, для чего обычно требуется большое напряжение зародышеобразования, превышающее напряжение разрушения керамики», – сказал Ван.
Ли, первый автор статьи из Purdue, сказал: «Наши результаты важны, потому что они открывают дверь для использования множества различных керамических материалов новыми способами, которые могут обеспечить большую гибкость и долговечность для выдерживания тяжелых нагрузок и высоких температур без катастрофического хрупкого разрушения."
Повышенная пластичность керамики означает большую механическую прочность при эксплуатации при относительно низких температурах.
Образец также мог выдержать почти такую же деформацию сжатия, как и некоторые металлы, до того, как начали появляться трещины.
«Эта пластичная керамика находит множество технологически важных применений», – сказал Синхан Чжан, профессор материаловедения и соавтор исследовательской группы. «Его можно применять в оборонных операциях, автомобилестроении, компонентах ядерных реакторов и устройствах устойчивой энергетики."