中國粉體網(wǎng)訊  廣義上講，陶瓷是金屬以外的無機(jī)材料的總稱，用于陶瓷、玻璃等個人工具、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，陶瓷幾乎不會引起塑性變形。因此，它具有脆性，即在施加外力時不能緩和裂紋周圍產(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，可以用來做制品。然而，當(dāng)異種材料的接頭暴露于溫度變化時，陶瓷可能會因為無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，陶瓷通過通電降低彈性，同時保持硬度，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)，被用作高級結(jié)構(gòu)材料，但與金屬等不同材料接合時，會受到溫度變化的影響。存在無法承受因熱膨脹率的差異引起的應(yīng)變而導(dǎo)致故障的問題。如果可以通過通電處理改變迄今為止難以控制的材料的彈性模量，則有可能實現(xiàn)可承受大應(yīng)變的新型陶瓷。這項研究成果于2022年2月4日發(fā)表在Elsevier的科學(xué)期刊“Acta Materialia”上。

在這項研究中，為了開發(fā)利用通電引入的點(diǎn)缺陷的新材料功能，對于致密的氧化釔穩(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，材料的機(jī)械性能通過聲速測量和納米壓痕測量進(jìn)行評估。

(a)樣品在通電處理過程中的外觀，(b)接觸彈性模量對負(fù)載速度的依賴性

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對樣品緩慢施加力時，彈性模量最多降低30%，材料變得柔韌，硬度得以保持。聲速測量得到的高速區(qū)彈性模量在通電處理前后沒有變化，而納米壓痕測量得到的低速區(qū)彈性模量在通電處理后大大降低，這種趨勢越來越明顯，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)制稱為熱活化過程，通過通電處理在材料中形成的點(diǎn)缺陷在克服活化能的同時可逆地移動。

材料在緩慢施加力時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的熱斷裂耐久性，因此有望提高陶瓷部件的可靠性。

（中國粉體網(wǎng)編譯/平安）

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