Keramiska material som är motståndskraftiga mot sprickbildning används i en mängd olika industrier från rymdteknik till tandvård. Att skärpa dem för att förbättra deras effektivitet och säkerhet är därför ett viktigt utredningsområde. Forskare från University of Tsukuba har använt tidsupplöst röntgendiffraktion för att observera transformationshärdning i zirkoniumkeramik under dynamisk fraktur. Deras resultat publiceras i Tillämpad fysikbokstäver .

Nuvarande observationsmetoder gör att sprickor i material kan observeras på plats medan belastningar appliceras. Dessa närbildsanalyser kan fånga förändringar i mycket liten skala med snabb upplösning, ger tydliga bilder på sprickor och hur materialet motstår dem genom härdning.

Dock, transformationshärdning av keramiska material är relaterat till förändringar i deras arrangemang på atomnivå, som inte kan ses med hjälp av tillgängliga tekniker. Att få en realtidsbild av sådana transformationer i kristallstrukturen är viktigt för att få en fullständig bild av hur material reagerar på dynamisk belastning.

Forskarna använde därför tidsupplöst röntgendiffraktion för att följa beteendet hos yttriastabiliserade tetragonala zirkonipolykristaller (Y-TZP) som utsattes för chockbelastning.

"Y-TZP är ett mycket använt keramiskt material med hög hållfasthet och sprickhållfasthet som har många tillämpningar. Det är därför mycket fokus på att förstå det bättre så att vi kan fortsätta optimera det, "förklarar professor Atsushi Kyono." Tills nu, vi har inte haft en klar bild av när kristallstrukturen ändras i frakturprocessen, så vår förståelse för att förstärka transformationen i Y-TZP har varit något lerig. "

Under normala förhållanden, Y-TZP har en tetragonal kristallstruktur. Detta ändrades inte när belastningen applicerades. Dock, när dynamisk fraktur startade, små mängder av den monokliniska fasen detekterades. Detta indikerade att dynamisk fraktur bidrar till transformationshärdningsprocessen.

Forskarna visade att transformationshärdning är relaterad till en process som kallas spallfraktur, som ger inblick i ursprunget till den höga spallstyrkan hos zirkoniumkeramik.

"Förutom att avslöja några av de bakomliggande orsakerna till beteendet hos zirkoniumoxidkeramik, vi har visat genomförbarheten av vår metod för in situ -analys av kristallstrukturförändringar, "säger studieförfattaren Sota Takagi." Vi tror att våra resultat kommer att bidra till den fortsatta utvecklingen av hård keramik för ett brett spektrum av applikationer från elektriska isolatordelar till köksredskap. "