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(fù)荷時(shí)的易碎性能，使其具有類似金屬的塑性，可用于改進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片涂層等。

　　雖然陶瓷本身具有一定的強(qiáng)度，但大多數(shù)陶瓷在承受負(fù)載時(shí)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(dòng)機(jī)葉片的陶瓷涂層來說尤其重要，該涂層用于保護(hù)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(yàn)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(huì)產(chǎn)生裂紋，但是有時(shí)間可以對其進(jìn)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(fù)載而不會(huì)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(fù)荷時(shí)，其中的大部分會(huì)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(hù)重要金屬部件免受高溫的影響，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于殘余應(yīng)力而發(fā)熱和冷卻時(shí)，它往往會(huì)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(cuò)（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(fù)載下發(fā)生形變而不會(huì)斷裂。然而，陶瓷通常不會(huì)形成位錯(cuò)，除非在非常高的溫度下，將它們進(jìn)行快速燒結(jié)會(huì)發(fā)生位錯(cuò)，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(huì)隨著陶瓷材料的形變而發(fā)生滑動(dòng)，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(shí)現(xiàn)位錯(cuò)和小晶粒尺寸，在室溫到600℃之間塑性逐漸提高，在400℃時(shí)裂紋開始實(shí)現(xiàn)緩慢擴(kuò)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(shí)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(shí)，往往就會(huì)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(shí)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔选?/p>

雖　　然樣品也會(huì)產(chǎn)生裂紋，但裂紋的形成速度非常緩慢，并且不會(huì)像傳統(tǒng)陶瓷那樣的發(fā)生徹底斷裂。下一步，研究團(tuán)隊(duì)將采用這一原理來設(shè)計(jì)更具彈性的陶瓷材料。該項(xiàng)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)。