Forskare vid Purdue Universitys College of Engineering har utvecklat och validerat en patentsökt metod som kan utöka de industriella tillämpningarna av keramik genom att göra dem mer plastiskt deformerbara vid rumstemperatur.
Plasticitet eller plastisk deformerbarhet är ett materials förmåga att deformeras genom kompression, spänning eller skjuvning till en specifik form eller geometri utan att gå sönder. Typiskt uppvisar keramiska material mycket begränsad plastisk deformerbarhet vid rumstemperatur.
Haiyan Wang och Xinghang Zhang leder ett Purdue-team vars metod förbättrar keramisk rumstemperatur plastisk deformerbarhet genom att först introducera högdensitetsdefekter i spröd keramik under höga temperaturer. Wang är Basil S. Turner professor i teknik och Zhang är professor i materialteknik vid Purdues School of Materials Engineering.
"En sådan strategi kan avsevärt förbättra den plastiska deformerbarheten i rumstemperatur hos keramik, och har löftet att injicera duktilitet, eller förmågan att dras till nästan nettoform, hos keramik inom en snar framtid," sa Zhang.
Forskningen har publicerats i Science Advances . Det här tillvägagångssättet kompletterar deras tidigare forskning om att förbättra keramisk plastisk deformerbarhet via flashsintringsmetoden, som publicerades i ett nummer 2018 av Nature Communications .
"Inte alla keramiska material kan bearbetas med flash sintringsmetoden," sade Wang. "Denna nya metod kan generaliseras till nästan alla keramiska material."
Keramiska material används som konstruktionsmaterial i industrier som flyg, transport, kraftverk och tillverkning; och i applikationer som lager i motorer och maskiner, kondensatorer, elektriska isoleringsmaterial, elektroder i batterier och bränsleceller, och termiska barriärbeläggningar i högtemperaturmaskiner.
De är mekaniskt starka och kemiskt inerta; motstå slitage och korrosion; isolera mot värme och elektricitet; och är hårdare och har högre smältpunkter än metaller. Dessa attribut innebär att keramiska material kan användas för att skära metaller eller innehålla smälta metaller och tåla höga spänningar vid höga temperaturer.
Keramik är också spröd vid rumstemperatur; de böjs endast vid tillräckligt höga temperaturer när dislokationsaktivitet kan aktiveras. Metaller däremot böjs utan att gå sönder vid rumstemperatur.
Wang sa att keramik har få dislokationer, vilket orsakar deras spröda natur. Dislokationer är defekter i material som förändrar arrangemanget av atomer i en struktur.
"En dislokation kan glida inuti kristaller för att möjliggöra plastisk deformerbarhet vid vissa stressnivåer," sa Wang. "Men i keramiska material är det svårt att kärnavvika dislokationer vid rumstemperatur, eftersom brottspänningen i keramik är mycket mindre än spänningen för kärnbildning vid sådana temperaturer."
Zhang sa:"Däremot är metalliska material duktila eftersom de lätt bildar en mycket hög densitet av dislokationer. Och dislokationer är mobila i metaller vid rumstemperatur, vilket avsevärt förbättrar deras duktilitet. Så sättet att förbättra plasticiteten för keramer är att kärnbilda rikliga dislokationer i keramik innan vi börjar deformera dem."
Wang sa att omfattande ansträngningar har gjorts för att förbättra deformerbarheten hos keramik, men med endast begränsad framgång.
Purdue-teamet har infört dislokationer i keramiska material genom att förbelasta dem under deformation vid höga temperaturer. Chao Shen, en doktorand i teamet, sa att när de keramiska proverna väl har kylts, förbättrar dislokationerna plasticiteten hos keramik vid rumstemperatur.
"Denna metod är mer tillämpbar på ett brett spektrum av keramik än metoden för flashsintring, eftersom inte alla keramiska material kan bearbetas genom flashsintring," sa Wang. "Förbelastningsdislokationer kan också vara mycket lättare att skala upp i praktiken för storskalig bearbetning och behandling av keramik än flashsintring."
Tekniken har testats och validerats i deras laboratorium på olika keramiska system och keramiska pelare av olika dimensioner.
"Efter förbelastningsbehandlingen uppvisade enkristall titandioxid en avsevärd ökning i deformerbarhet, vilket uppnådde 10% töjning vid rumstemperatur," sa Zhang. "Aluminiumoxid visade också plastisk deformerbarhet, 6 % till 7,5 % töjning, med förladdningstekniken."
Forskargruppen – inklusive Wang, Zhang och R. Edwin Garcia, professor i materialteknik, och deras doktorander – kommer att samarbeta med industrin i storskaliga demonstrationer av detta tillvägagångssätt i olika keramiska system.
Wang och Zhang avslöjade innovationen för Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, som har ansökt om ett patent från U.S. Patent and Trademark Office för att skydda immateriella rättigheter.
Mer information: Chao Shen et al, Achieving room temperature plasticity in spröd keramik genom förladdning vid förhöjd temperatur, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4079
Journalinformation: Nature Communications , Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Purdue University
