普渡大学的研究人员已经观察到一种方法，可以克服陶瓷的脆性，因为它们可以承受沉重的负载，导致更有弹性的结构，如飞机发动机叶片涂层和牙科植入物。
虽然陶瓷本身就很坚固，但除非暴露在高温下，大多数陶瓷在受到轻微压力时就会突然断裂。结构陶瓷组件首先也需要高温，通过一个称为烧结的漫长过程，在这个过程中，粉末材料结合成固体块。
这些问题在金属发动机叶片的陶瓷涂层上尤其成问题，该涂层旨在保护金属核心免受一定范围的工作温度的影响。一项发表在自然通讯首次证明了在形成钇稳定氧化锆(YSZ)(一种典型的热障陶瓷)时施加电场，可以使材料在室温下几乎像金属一样具有塑性，或容易重塑。工程师也可以更快地发现裂缝，因为它们在中等温度下开始慢慢形成，而不是在较高的温度下，给了他们时间来挽救结构。
“过去，当我们在较低的温度下施加高载荷时，大量陶瓷会在毫无征兆的情况下发生灾难性的失效，”材料工程教授张兴航表示。“现在我们可以看到裂缝出现，但材料保持在一起;这是可以预见的故障，对陶瓷的使用更安全。”
最近的研究表明，施加电场或“闪光”可以显著加速形成YSZ和其他陶瓷的烧结过程，而且在比传统烧结低得多的炉温下。闪光烧结陶瓷的孔隙率也非常小，这使它们更致密，因此更容易变形。目前还没有人测试闪光烧结陶瓷在室温或越来越高的温度下改变形状的能力。
“YSZ是一种非常典型的热障涂层——它基本上保护金属芯不受热，”普渡大学巴兹尔s特纳工程教授王海燕说。“但由于残余应力，当发动机加热或冷却时，它往往会出现很多裂缝。”
金属之所以能够抗断裂并容易改变形状，是因为存在着“缺陷”或位错——在变形过程中，原子的额外平面会移动，使材料在载荷作用下只是变形，而不是断裂。
“这些位错会在压缩或拉力的作用下移动，这样材料就不会失效，”材料工程专业研究生研究助理蔡勋·赵(Jaehun Cho)说。
陶瓷通常不会形成位错，除非在很高的温度下变形。然而，快速烧结会引入这些位错，并在所得材料中产生更小的晶粒尺寸。
“更小的颗粒，如纳米晶体颗粒，可能在陶瓷材料变形时滑动，帮助它更好地变形，”王说。
预先存在的位错和较小的晶粒尺寸使比人类头发还细的闪烧结YSZ样品在室温到600摄氏度之间压缩时变得越来越具有塑性，裂纹在400度时开始缓慢扩展，而传统烧结YSZ需要800度或更高的温度才能塑性变形。
改进的塑性意味着在相对低温下运行时更稳定。这种样品还能承受几乎与一些金属在开始出现裂纹前一样大的压缩应变。
“金属可以压缩到10%或20%的应变，没有问题，但如果你压缩到低于2- 3%的应变，陶瓷往往会碎成碎片，”张说。“我们证明，闪光烧结陶瓷可以压缩到7- 10%，而不会发生灾难性的断裂。”
即使样品开始开裂，裂缝也形成得非常缓慢，不会像传统陶瓷一般发生完全坍塌。下一步将是利用这些原理来设计更有弹性的陶瓷材料。
在普渡大学的生命科学显微镜中心和普渡大学材料工程中心的FEI Talos 200X电子显微镜中，如果没有安装在高分辨率扫描电子显微镜内的原位纳米机械测试工具，研究人员将无法进行微米级陶瓷样品的原位实验。这两种显微镜都是由普渡大学负责研究和伙伴关系的执行副校长办公室和工程与科学学院提供的。普渡大学正在期待一种更高分辨率的像差校正显微镜，研究人员将很快将其用于未来的纳米材料研究。
了下:工业自动化
