Forskare vid Purdue University’s College of Engineering har utvecklat och validerat en patentsökt metod som kan utöka de industriella tillämpningarna av keramer 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. Vanligtvis uppvisar keramiska material mycket begränsad plastisk deformerbarhet vid rumstemperatur.
Haiyan Wang och Xinghang Zhang leder ett Purdue-team vars metod förbättrar keramisk plastisk deformerbarhet i rumstemperatur genom att först introducera defekter med hög densitet i spröda keramer under höga temperaturer. Wang är Basil S. Turner Professor of Engineering och Zhang är professor i materialteknik vid Purdues School of Materials Engineering.
”En sådan strategi kan avsevärt förbättra keramikens plastiska deformerbarhet vid rumstemperatur, och det finns goda möjligheter att inom en snar framtid öka keramikens duktilitet, dvs. förmågan att dras till en nära nettoform”, säger Zhang.
Forskningen har publicerats i Science Advances. Detta tillvägagångssätt kompletterar deras tidigare forskning om att förbättra keramisk plasts deformerbarhet via metoden för snabbsintring, som publicerades i en 2018-utgåva av Nature Communications.
”Det är inte alla keramiska material som kan bearbetas med snabbsintringsmetoden”, säger Wang. ”Den här nya metoden kan generaliseras till nästan alla keramiska material.”
Keramik: fördelaktigt men ändå skört
Keramiska material används som konstruktionsmaterial inom branscher som flyg, transport, kraftverk och tillverkning, och i applikationer som lager i motorer och maskiner, kondensatorer, elektriska isoleringsmaterial, elektroder i batterier och bränsleceller samt termiska barriärbeläggningar i högtemperaturmaskiner.
De är mekaniskt starka och kemiskt inerta, motstår slitage och korrosion, isolerar mot värme och elektricitet samt är hårdare och har högre smältpunkt än metaller. Dessa egenskaper innebär att keramiska material kan användas för att skära metaller eller innehålla smälta metaller och uthärda höga påfrestningar vid höga temperaturer.
Keramik är också sprött vid rumstemperatur; det böjer sig först vid tillräckligt höga temperaturer när dislokationsaktiviteten kan aktiveras. Metaller, däremot, böjer sig utan att gå sönder vid rumstemperatur.
Enligt Wang har keramiska material få dislokationer, vilket är orsaken till deras spröda natur. Dislokationer är defekter i material som förändrar arrangemanget av atomer i en struktur.
”En dislokation kan glida inom kristaller för att möjliggöra plastisk deformerbarhet vid vissa spänningsnivåer”, säger Wang. ”I keramiska material är det dock svårt att skapa dislokationer vid rumstemperatur, eftersom brottspänningen i keramik är mycket lägre än den spänning som krävs för att skapa dislokationer vid sådana temperaturer.”
Zhang säger: ”Däremot är metalliska material duktila eftersom de lätt kan bilda en mycket hög densitet av dislokationer. Och dislokationer är rörliga i metaller vid rumstemperatur, vilket avsevärt förbättrar deras duktilitet. Så sättet att förbättra plasticiteten för keramer är att skapa rikligt med dislokationer i keramerna innan vi börjar deformera dem.”
Teknik för att förbättra duktiliteten
Wang säger att omfattande insatser har gjorts för att förbättra keramikens deformerbarhet, men med begränsad framgång.
Purdue-teamet har infört dislokationer i keramiska material genom att förbelasta dem under deformation vid höga temperaturer. Chao Shen, som är doktorand i teamet, säger att när de keramiska proverna har svalnat förbättrar dislokationerna keramikens plasticitet vid rumstemperatur.
”Den här metoden är mer allmänt tillämplig på ett brett spektrum av keramik än metoden för snabbsintring, eftersom inte alla keramiska material kan bearbetas genom snabbsintring”, säger Wang. ”Preloading dislocations 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 enkristallin titandioxid en betydande ökning av deformerbarheten och uppnådde 10% töjning vid rumstemperatur”, säger Zhang. ”Aluminiumoxid uppvisade också plastisk deformerbarhet, 6% till 7,5% töjning, med hjälp av förbelastningstekniken.”
Forskargruppen – som består av Wang, Zhang och R. Edwin Garcia, professor i materialteknik, samt deras doktorander – kommer att samarbeta med industrin för att demonstrera detta tillvägagångssätt i stor skala i olika keramiska system.
Wang och Zhang avslöjade innovationen för Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, som har ansökt om patent från U.S. Patent and Trademark Office för att skydda den immateriella egendomen.
Ytterligare information: Chao Shen et al, Achieving room temperature plasticity in brittle ceramics through elevated temperature preloading, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adj4079
