Этот материал, почти в десять раз более прочный, чем обычная керамика, является результатом инновационного производственного процесса, который включает этап замораживания. Этот метод кажется совместимым с крупномасштабной индустриализацией и не должен быть намного дороже, чем уже используемые методы. Искусственный перламутр, сохраняющий свои свойства при температурах не менее 600 ° C, может найти множество применений в промышленности и уменьшить вес или размер керамических элементов в двигателях и устройствах для выработки энергии.
Работа опубликована 23 марта 2014 г. на сайте журнала Nature Materials.
Стойкость, я.е. способность материала, содержащего трещину, противостоять разрушению, считается ахиллесовой пятой керамики.
Чтобы компенсировать присущую им хрупкость, их иногда комбинируют с более прочными материалами, такими как металлы или полимеры, что обычно приводит к различной степени ограничений. Например, полимеры не могут выдерживать температуры выше 300 ° C, что ограничивает их использование в двигателях или духовках.
Материал, похожий на керамику, хотя и чрезвычайно прочный, встречается в природе..
Перламутр, которым покрываются раковины морского морского ушка и некоторых двустворчатых моллюсков, на 95% состоит из карбоната кальция (арагонита), по своей природе хрупкого материала, который, тем не менее, очень прочен. Перламутр можно рассматривать как стопку маленьких кирпичей, сваренных вместе раствором, состоящим из белков.
Его прочность обусловлена его сложной иерархической структурой, в которой трещины должны идти извилистым путем для распространения. Именно эта структура вдохновила исследователей.
В качестве базового ингредиента команда из Лаборатории синтеза и функциональности керамики (CNRS / Saint-Gobain) использовала обычный керамический порошок, оксид алюминия, в форме микроскопических пластинок. Для получения слоистой перламутровой структуры порошок суспендировали в воде.
Затем коллоидную суспензию (1) охлаждали для получения контролируемого роста кристаллов льда, в результате чего оксид алюминия самособирался в виде стопок пластинок. Конечный материал впоследствии был получен на стадии высокотемпературного уплотнения.
Этот искусственный перламутр в десять раз прочнее обычной глиноземной керамики. Это потому, что трещина должна перемещаться по глиноземным «кирпичам» один за другим, чтобы распространиться.
Этот зигзагообразный путь не позволяет ему легко пересекать материал.
Одним из преимуществ этого процесса является то, что он не ограничивается глиноземом.. Любой керамический порошок, если он находится в форме пластинок, может самостоятельно собираться с помощью того же процесса, который можно легко использовать в промышленных масштабах. Прочность этого био-материала для эквивалентной плотности позволяет изготавливать более мелкие и легкие детали без значительного увеличения затрат.
Это изобретение может стать предпочтительным материалом для приложений, подвергающихся жестким ограничениям в различных областях, от энергии до брони.
(1) Суспензия, в которой небольшой размер частиц предотвращает их осаждение под действием силы тяжести.