Nature子刊：陶瓷材料经电场烧结可以像金属一样变形

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  普渡大学的研究人员发现陶瓷材料在承受重载时可以克服脆性，从而更具弹性。这可应用于航空发动机叶片的涂料和牙种植体。

      虽然陶瓷本身硬度很高，但大多数陶瓷稍加负载就突然断裂，除非置于高温环境。结构陶瓷首先要经过高温烧结的漫长过程，粉末体才能黏结成固体。

      这对于发动机金属叶片的陶瓷涂层来说非常关键，涂层主要是保护金属叶片在一定程度上免受运行温度的影响。《自然—通讯》杂志上的一项研究首次表明，钇稳定氧化锆（YSZ，一种典型的热障陶瓷）经电场烧结后容易重新塑形，并且在室温时具有和金属几乎一样的塑性。由于裂缝是在中温而非高温时慢慢形成的，工程师们可以看到它以便及时补救。

      材料工程系的教授张邢航说：“之前，我们在低温时对陶瓷施加高负载，大多数陶瓷会毫无征兆地脆裂。现在，我们在陶瓷断裂前就可以观察到裂缝的生成，这对预防材料失效更为有效。”

      近期研究表明，对YSZ或其他陶瓷材料施加电场或“闪光”，将在比传统烧结炉温低很多的情况下，显著加快其烧结过程。闪光烧结陶瓷具有非常小的孔隙率，这使得它们更加致密，同样也更容易变形。目前还未测试闪光烧结陶瓷在室温或较高温度下的变形能力。

      普渡大学工程教授王海燕说：“YSZ是一种非常典型的热障涂层，它可以保护金属基本不受热。但当发动机因残余应力而变热和冷却时，涂层往往会产生很多裂纹。”

      金属断裂和塑性变形是由于材料内部存在“缺陷”或位错——原子在变形过程中拖动额外的原子面，使材料在负载作用下进行简单变形而非断裂。

      材料工程系研究生助理Jaehun Cho称：“这些位错会在压缩或拉伸的作用下移动，这样材料就不会失效。”

      除非在非常高的温度下变形，陶瓷一般不会形成位错。然而，闪光烧结将引入这些位错，并使位错在材料中具有较小的晶粒尺寸。

      “较小的颗粒，如纳米晶粒，可能会随着陶瓷材料的变形而滑动，帮助它更好地变形”王海燕教授说。

      由于预先存在位错和较小的颗粒尺寸，闪光烧结的YSZ样品比人类的头发更薄。在室温和600摄氏度之间进行压缩将提高材料的塑性。在400摄氏度时裂纹开始缓慢扩散，而传统烧结的YSZ则需要800摄氏度和更高的塑性变形量才能产生裂纹。

      塑性的提高意味着在相对较低温度操作时稳定性更高。在裂纹开始出现之前，YSZ样品也可以承受与某些金属材料同样多的压缩应变量。

      张教授说：“金属材料可以承受10%至20%的压缩应变量，但是如果对陶瓷材料施加2-3%的压缩应变量，陶瓷往往会脆裂成碎片。我们的实验表明，闪光烧结陶瓷可以承受7-10%的压缩应变量而不断裂。”

      即使样品开始出现裂纹，它的形成也会非常缓慢，并且不会像传统陶瓷那样完全失效。下一步将依据这些原理来设计更具弹性的陶瓷材料。

      如果普渡大学生命科学显微中心的高分辨率扫描电镜（配有聚焦铁束工具）内没有原位纳米力学测试工具，亦或没有材料工程系的FEI Talos 200X电镜，研究人员将无法完成微米级陶瓷样品的原位实验。两台显微镜均由普渡大学的执行副总裁办公室（研究与合作伙伴）和工程与科学学院提供。

      普渡大学主持的这项研究得到了海军研究办公室与加利福尼亚大学、戴维斯大学和罗格斯大学的合作支持。