中國(guó)粉體網(wǎng)訊 廣義上講，陶瓷是金屬以外的無(wú)機(jī)材料的總稱，用于陶瓷、玻璃等個(gè)人工具、半導(dǎo)體等電子設(shè)備部件、耐火材料、切削工具等工業(yè)部件等各種領(lǐng)域。特別是具有優(yōu)異硬度、耐熱性和耐腐蝕性的工程陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料在航空航天、深海、發(fā)電廠等惡劣環(huán)境中發(fā)揮著積極作用。
另一方面，與金屬和聚合物不同，陶瓷幾乎不會(huì)引起塑性變形。因此，它具有脆性，即在施加外力時(shí)不能緩和裂紋周?chē)a(chǎn)生的應(yīng)力集中而導(dǎo)致斷裂。由于這種脆性，很難保證大型陶瓷部件的可靠性，因此只有直接暴露在惡劣環(huán)境中的小部件（涂層等）由陶瓷制成，并與異種材料比如金屬制成的部件接合，可以用來(lái)做制品。然而，當(dāng)異種材料的接頭暴露于溫度變化時(shí)，陶瓷可能會(huì)因?yàn)闊o(wú)法承受熱膨脹率差異引起的應(yīng)變而破裂。為了將陶瓷用作耐熱材料，提高它們對(duì)這種熱斷裂的耐久性是重要的。
近日，東京大學(xué)發(fā)布的與名古屋大學(xué)、物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)(NIMS)的共同研究成果表明，陶瓷通過(guò)通電降低彈性，同時(shí)保持硬度，使材料更具柔韌性。以氧化釔穩(wěn)定氧化鋯為代表的工程陶瓷利用其優(yōu)異的硬度、耐熱性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被用作高級(jí)結(jié)構(gòu)材料，但與金屬等不同材料接合時(shí)，會(huì)受到溫度變化的影響。存在無(wú)法承受因熱膨脹率的差異引起的應(yīng)變而導(dǎo)致故障的問(wèn)題。如果可以通過(guò)通電處理改變迄今為止難以控制的材料的彈性模量，則有可能實(shí)現(xiàn)可承受大應(yīng)變的新型陶瓷。這項(xiàng)研究成果于2022年2月4日發(fā)表在Elsevier的科學(xué)期刊“Acta Materialia”上。
在這項(xiàng)研究中，為了開(kāi)發(fā)利用通電引入的點(diǎn)缺陷的新材料功能，對(duì)于致密的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯樣品，爐溫為600°C，電流密度為400 mA/mm2。10分鐘后通電時(shí)，材料的機(jī)械性能通過(guò)聲速測(cè)量和納米壓痕測(cè)量進(jìn)行評(píng)估。
(a)樣品在通電處理過(guò)程中的外觀，(b)接觸彈性模量對(duì)負(fù)載速度的依賴性
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)樣品緩慢施加力時(shí)，彈性模量最多降低30%，材料變得柔韌，硬度得以保持。聲速測(cè)量得到的高速區(qū)彈性模量在通電處理前后沒(méi)有變化，而納米壓痕測(cè)量得到的低速區(qū)彈性模量在通電處理后大大降低，這種趨勢(shì)越來(lái)越明顯，隨著裝載和卸載速度的降低而顯著。物理性質(zhì)隨速度變化的機(jī)制稱為熱活化過(guò)程，通過(guò)通電處理在材料中形成的點(diǎn)缺陷在克服活化能的同時(shí)可逆地移動(dòng)。
材料在緩慢施加力時(shí)變得柔韌的特性類似于主要在聚合物中看到的粘彈性變形，并且在保持硬度的同時(shí)像聚合物一樣柔韌，如果陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，將有可能提高各種陶瓷部件的可靠性。例如，通過(guò)降低陶瓷的彈性模量，可以提高陶瓷與異種材料如金屬等接合時(shí)的熱斷裂耐久性，因此有望提高陶瓷部件的可靠性。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編譯/平安）
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