2018年5月29日，普渡大學(xué)宣布開發(fā)出一種方法，能夠改變陶瓷承受重負荷時的易碎性能，使其具有類似金屬的塑性，可用于改進飛機發(fā)動機葉片涂層等。

　　雖然陶瓷本身具有一定的強度，但大多數(shù)陶瓷在承受負載時受到輕微的拉力就容易突然發(fā)生斷裂，這一問題對于金屬發(fā)動機葉片的陶瓷涂層來說尤其重要，該涂層用于保護重要金屬部件在一定范圍的工作溫度下免受影響。而現(xiàn)在可利用高溫解決這一問題。研究首次驗證了將電場用于典型的熱障陶瓷——氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ），使得該材料像室溫下的金屬一樣具有塑性或易于形變。隨著溫度緩慢地下降，陶瓷仍然會產(chǎn)生裂紋，但是有時間可以對其進行修復(fù)。該研究成果已發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。

　　在陶瓷成形期間施加電場使其具有承受重負載而不會突然斷裂的類金屬特性

　　過去，在較低溫度下對陶瓷材料施加高負荷時，其中的大部分會在沒有任何預(yù)兆的情況下徹底斷裂。經(jīng)過研究，施加電場能夠顯著加快YSZ和其他陶瓷的燒結(jié)過程，并且無需傳統(tǒng)燒結(jié)的超高爐溫。經(jīng)過快速燒結(jié)（Flash-sintering）的陶瓷具有非常小的孔隙率，因此它們更加致密，且更易于發(fā)生形變。

　　YSZ是一種非常典型的熱障涂層材料，可用于保護重要金屬部件免受高溫的影響，但當發(fā)動機由于殘余應(yīng)力而發(fā)熱和冷卻時，它往往會產(chǎn)生很多的裂縫。金屬具有抗斷裂和易于形變的特性是由于存在“缺陷（defects）”或位錯（dislocations）——即在變形過程額外的原子層發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使材料在負載下發(fā)生形變而不會斷裂。然而，陶瓷通常不會形成位錯，除非在非常高的溫度下，將它們進行快速燒結(jié)會發(fā)生位錯，并在所得材料中產(chǎn)生較小的晶粒尺寸。更小的晶粒（如納米晶粒）會隨著陶瓷材料的形變而發(fā)生滑動，從而有助于形變過程。

　　研究表明，對于比人類頭發(fā)還要薄YSZ樣品，通過快速燒結(jié)實現(xiàn)位錯和小晶粒尺寸，在室溫到600℃之間塑性逐漸提高，在400℃時裂紋開始實現(xiàn)緩慢擴散，而傳統(tǒng)燒結(jié)的YSZ需要800℃或者更高的情況下才能發(fā)生塑性變形。材料塑性的提高意味著在相對較低的溫度下工作時更加穩(wěn)定。在裂紋開始出現(xiàn)之前，樣品可承受與某些金屬一樣的壓應(yīng)力。研究人員表示，金屬的壓縮應(yīng)變一般在10%—20%之間，但是陶瓷在壓縮應(yīng)變不到2%—3%時，往往就會破裂成碎片。經(jīng)過研究證明，快速燒結(jié)后的陶瓷在壓縮應(yīng)變7%—10％時不會發(fā)生嚴重斷裂。

雖　　然樣品也會產(chǎn)生裂紋，但裂紋的形成速度非常緩慢，并且不會像傳統(tǒng)陶瓷那樣的發(fā)生徹底斷裂。下一步，研究團隊將采用這一原理來設(shè)計更具彈性的陶瓷材料。該項由普渡大學(xué)牽頭的研究得到了海軍研究辦公室的支持，參與研究的還包括加州大學(xué)戴維斯分校和羅格斯大學(xué)。