Badacze inżynierii materiałowej z Uniwersytetu Purdue opracowali metodę obróbki materiałów ceramicznych, która może przyczynić się do rozszerzenia zakresu stosowania ceramiki technicznej w przemyśle. Dzięki niej twarda i krucha z natury ceramika wykazuje zwiększoną plastyczność w temperaturze pokojowej.
Plastyczność, czy też odkształcalność plastyczna to zdolność materiałów do ulegania deformacji na zasadzie rozciągania, ściskania lub ścinania, bez pęknięcia struktury. Podczas gdy metale wykazują plastyczność również w temperaturze pokojowej, odkształcenie plastyczne ceramiki technicznej wymaga bardzo wysokich temperatur, wynoszących ok. połowy temperatury topnienia, kiedy to zaczyna zachodzić pełzanie. Za plastyczność materiałów odpowiadają dyslokacje w strukturze krystalicznej. Przeważnie jednak materiały ceramiczne w temperaturze pokojowej osiągają wartości naprężenia zrywającego zanim zachodzi zarodkowanie dyslokacji.
Badacze Haiyan Wang i Xinghang Zhang kierują zespołem z Uniwersytetu Purdue, badającym technologie ceramiczne. Dotychczasowe prace nad plastycznością ceramiki koncentrowały się na procesie spiekania materiałów ceramicznych. Prezentowana metoda znajduje zastosowanie także w przypadku ceramiki technicznej otrzymanej innymi technologiami. Sposób na uplastycznienie twardych i kruchych materiałów ceramicznych opiera się na zarodkowaniu dyslokacji poprzez obciążenie w wysokiej temperaturze. Wstępnie obciążone tym sposobem próbki wykazują zdolność do postępujących dyslokacji, również po ostygnięciu do temperatury pokojowej.
Podczas testów wytrzymałości na ściskanie próbka wykonana z monokrystalicznego dwutlenku tytanu TiO2, wstępnie obciążona do granicy plastyczności w temperaturze 600 °C, została następnie wystudzona do temperatury pokojowej i sprasowana o 10% wysokości pierwotnej bez wystąpienia kruchych pęknięć. W przypadku tlenku glinu Al2O3 również wykazano skuteczność metody wstępnego obciążenia struktury. Próbki poddano obróbce wstępnej w temperaturze 740 °C, a następnie po ostygnięciu poddano próbie wytrzymałości na ściskanie, w której odnotowano odkształcenie plastyczne odpowiadające 6% długości pierwotnej, zanim doszło do kruchego pęknięcia próbki.
Krzywe naprężenia i obrazy mikroskopowe próbek TiO2 ściskanych w temperaturze pokojowej (A-D), w 600 °C (E-H) i w temperaturze pokojowej po obciążeniu wstępnym w 600 °C (I-L)
Przeprowadzone badania wykazały obiecujące wyniki i potencjał do dalszego rozwoju. Obecnie trwają prace nad adaptacją metody do zastosowania z większymi próbkami i szerszym spektrum materiałów ceramicznych. Jak wyjaśnia prof. Xinghang Zhang, aplikacja przemysłowa opracowanej strategii obróbki wstępnej daje widoki na zwiększenie technologiczności materiałów ceramicznych poprzez ułatwienie kształtowania wyrobów. Dalszymi pracami nad metodą interesuje się między innymi U.S. Office of Naval Research. Efektem badań mogą być zupełnie nowe technologie produkcji wyrobów z ceramiki technicznej.
purdue.edu
Shen C. & al.: Achieving room temperature plasticity in brittle ceramics through elevated temperature preloading, Sci Adv. 2024;10(16), doi:10.1126/sciadv. adj4079
