Nature子刊：陶瓷材料經電場燒結可以像金屬一樣變形
普渡大學的研究人員首次發現，陶瓷在電場下受到較高壓縮應變數時，將發生塑性變形而非脆斷。（圖為：研究生助理Jaehun Cho和李強。圖片來源：普渡大學影像/ Vincent Walter）
普渡大學的研究人員發現陶瓷材料在承受重載時可以克服脆性，從而更具彈性。這可應用於航空發動機葉片的塗料和牙種植體。
雖然陶瓷本身硬度很高，但大多數陶瓷稍加負載就突然斷裂，除非置於高溫環境。結構陶瓷首先要經過高溫燒結的漫長過程，粉末體才能黏結成固體。
這對於發動機金屬葉片的陶瓷塗層來說非常關鍵，塗層主要是保護金屬葉片在一定程度上免受運行溫度的影響。《自然—通訊》雜誌上的一項研究首次表明，釔穩定氧化鋯（YSZ，一種典型的熱障陶瓷）經電場燒結後容易重新塑形，並且在室溫時具有和金屬幾乎一樣的塑性。由於裂縫是在中溫而非高溫時慢慢形成的，工程師們可以看到它以便及時補救。
材料工程系的教授張邢航說：「之前，我們在低溫時對陶瓷施加高負載，大多數陶瓷會毫無徵兆地脆裂。現在，我們在陶瓷斷裂前就可以觀察到裂縫的生成，這對預防材料失效更為有效。」
近期研究表明，對YSZ或其他陶瓷材料施加電場或「閃光」，將在比傳統燒結爐溫低很多的情況下，顯著加快其燒結過程。閃光燒結陶瓷具有非常小的孔隙率，這使得它們更加緻密，同樣也更容易變形。目前還未測試閃光燒結陶瓷在室溫或較高溫度下的變形能力。
普渡大學工程教授王海燕說：「YSZ是一種非常典型的熱障塗層，它可以保護金屬基本不受熱。但當發動機因殘餘應力而變熱和冷卻時，塗層往往會產生很多裂紋。」
金屬斷裂和塑性變形是由於材料內部存在「缺陷」或位錯——原子在變形過程中拖動額外的原子面，使材料在負載作用下進行簡單變形而非斷裂。
材料工程系研究生助理Jaehun Cho稱：「這些位錯會在壓縮或拉伸的作用下移動，這樣材料就不會失效。」
除非在非常高的溫度下變形，陶瓷一般不會形成位錯。然而，閃光燒結將引入這些位錯，並使位錯在材料中具有較小的晶粒尺寸。
「較小的顆粒，如納米晶粒，可能會隨著陶瓷材料的變形而滑動，幫助它更好地變形」王海燕教授說。
由於預先存在位錯和較小的顆粒尺寸，閃光燒結的YSZ樣品比人類的頭髮更薄。在室溫和600攝氏度之間進行壓縮將提高材料的塑性。在400攝氏度時裂紋開始緩慢擴散，而傳統燒結的YSZ則需要800攝氏度和更高的塑性變形量才能產生裂紋。
塑性的提高意味著在相對較低溫度操作時穩定性更高。在裂紋開始出現之前，YSZ樣品也可以承受與某些金屬材料同樣多的壓縮應變數。
張教授說：「金屬材料可以承受10%至20%的壓縮應變數，但是如果對陶瓷材料施加2-3%的壓縮應變數，陶瓷往往會脆裂成碎片。我們的實驗表明，閃光燒結陶瓷可以承受7-10%的壓縮應變數而不斷裂。」
即使樣品開始出現裂紋，它的形成也會非常緩慢，並且不會像傳統陶瓷那樣完全失效。下一步將依據這些原理來設計更具彈性的陶瓷材料。
如果普渡大學生命科學顯微中心的高解析度掃描電鏡（配有聚焦鐵束工具）內沒有原位納米力學測試工具，亦或沒有材料工程系的FEI Talos 200X電鏡，研究人員將無法完成微米級陶瓷樣品的原位實驗。兩台顯微鏡均由普渡大學的執行副總裁辦公室（研究與合作夥伴）和工程與科學學院提供。
普渡大學主持的這項研究得到了海軍研究辦公室與加利福尼亞大學、戴維斯大學和羅格斯大學的合作支持。
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來源：材料科技在線
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