Purdue-forskare har observerat ett sätt som keramernas spröda natur kan övervinnas när de tål tunga belastningar, leder till mer motståndskraftiga strukturer såsom beläggningar av flygmotorblad och tandimplantat.

Även om den är stark, de flesta keramer tenderar att plötsligt spricka när de bara ansträngs lite under en belastning såvida de inte utsätts för höga temperaturer. Strukturella keramiska komponenter kräver också höga temperaturer för att bildas i första hand genom en lång process som kallas sintring, där ett pulveriserat material smälter samman till en fast massa.

Dessa problem är särskilt problematiska för keramiska beläggningar av metallmotorblad avsedda att skydda metallkärnor från en rad driftstemperaturer. En studie publicerad i Naturkommunikation visar för första gången att applicering av ett elektriskt fält på bildandet av yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid (YSZ), en typisk termisk barriärkeramik, gör materialet nästan lika plastigt, eller lätt omformad, som metall vid rumstemperatur. Ingenjörer kunde också se sprickor tidigare eftersom de långsamt börjar bildas vid en måttlig temperatur i motsats till högre temperaturer, ge dem tid att rädda en struktur.

"Förr, när vi applicerade en hög belastning vid lägre temperaturer, ett stort antal keramik skulle misslyckas katastrofalt utan förvarning, " sa Xinghang Zhang, professor i materialteknik. "Nu kan vi se sprickorna komma, men materialet håller ihop; detta är förutsägbart misslyckande och mycket säkrare för användning av keramik."

Nyligen genomförda studier har visat att applicering av ett elektriskt fält, eller "blixt, " påskyndar avsevärt sintringsprocessen som bildar YSZ och annan keramik, och vid mycket lägre ugnstemperaturer än konventionell sintring. Flash-sintrad keramik har också mycket liten porositet, vilket gör dem tätare och därför lättare att deformera. Ingen har ännu testat förmågan hos blixtsintrad keramik att ändra form vid rumstemperatur eller allt högre temperaturer.

"YSZ är en mycket typisk termisk barriärbeläggning - den skyddar i princip en metallkärna från värme, sa Haiyan Wang, Purdues Basil S. Turner professor i teknik. "Men den tenderar att drabbas av många frakturer när en motor värms upp och svalnar på grund av kvarvarande spänningar."

Det som gör att metaller kan vara brottbeständiga och lätta att ändra form är närvaron av "defekter, " eller dislokationer - extraplan av atomer som blandas under deformation för att få ett material att helt enkelt deformeras snarare än att gå sönder under en belastning.

"Dessa dislokationer kommer att röra sig under kompression eller spänning, så att materialet inte misslyckas, " sa Jaehun Cho, en forskarassistent i materialteknik.

Keramik bildar normalt inte dislokationer om de inte deformeras vid mycket höga temperaturer. Flash-sintrar dem, dock, introducerar dessa dislokationer och skapar en mindre kornstorlek i det resulterande materialet.

"Mindre korn, såsom nanokristallina korn, kan glida när det keramiska materialet deformeras, hjälpa den att deformeras bättre, " sa Wang.

Redan existerande dislokationer och små kornstorlekar gjorde att ett flashsintrat YSZ-prov tunnare än människohår kunde växa allt mer plastiskt mellan rumstemperatur och 600 grader Celsius när det komprimerades, med sprickor som långsamt börjar spridas vid 400 grader i motsats till konventionellt sintrad YSZ som kräver 800 grader och högre för att plastiskt deformeras.

Förbättrad plasticitet innebär mer stabilitet under drift vid relativt låga temperaturer. Provet kunde också motstå nästan lika mycket kompressionspåkänning som vissa metaller gör innan sprickor började uppstå.

"Metaller kan komprimeras till 10 eller 20 procent spänning, inga problem, men keramik spricker ofta i bitar om du komprimerar dem till mindre än 2-3 procent spänning, ", sade Zhang. "Vi visar att flash-sintrad keramik kan komprimeras till 7-10 procent utan katastrofala frakturer."

Även när provet började spricka, sprickorna bildades mycket långsamt och resulterade inte i fullständig kollaps som vanligtvis skulle hända med konventionell keramik. Nästa steg skulle vara att använda dessa principer för att designa ännu mer motståndskraftiga keramiska material.

Forskarna skulle inte ha kunnat utföra in-situ experiment av ett mikronstort keramiskt prov utan ett in-situ nanomekaniskt testverktyg inuti ett högupplöst svepelektronmikroskop utrustat med ett fokuserat järnstråleverktyg vid Purdues Life Science Microscopy Center och en FEI Talos 200X elektronmikroskopanläggning i Purdues materialteknikanläggning. Båda mikroskopen tillhandahölls av Purdues kontor för Executive Vice President för forskning och partnerskap och Colleges of Engineering and Science. Purdue förväntar sig ett aberrationskorrigerat mikroskop med ännu högre upplösning som forskarna snart kommer att använda för framtida forskning om nanomaterial.