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普渡大学发现改善钇稳定氧化锆YSZ涂层稳定性新方法
2018月06月08日 发布 分类:行业要闻 点击量:654
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近日,普渡大学宣布利用高温改变陶瓷承受重负荷时的易碎性能,使其具有类似金属的塑性,可用于改进飞机发动机叶片涂层等。研究首次验证了将电场用于典型的热障陶瓷——氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),使得该材料像室温下的金属一样具有塑性或易于形变。


金属具有抗断裂和易于形变的特性是由于存在“缺陷(defects)”或位错(dislocations)——即在变形过程额外的原子层发生转移,从而使材料在负载下发生形变而不会断裂。然而,陶瓷通常不会形成位错,除非在非常高的温度下,将它们进行快速烧结会发生位错,并在所得材料中产生较小的晶粒尺寸。更小的晶粒(如纳米晶粒)会随着陶瓷材料的形变而发生滑动,从而有助于形变过程。


钇稳定氧化锆YSZ是一种非常典型的热障涂层材料,可用于保护重要金属部件免受高温的影响,但当发动机由于残余应力而发热和冷却时,它往往会产生很多的裂缝。经过研究,施加电场能够显著加快YSZ和其他陶瓷的烧结过程,并且无需传统烧结的超高炉温。经过快速烧结(Flash-sintering)的陶瓷具有非常小的孔隙率,因此它们更加致密,且更易于发生形变。


研究表明,对于比人类头发还要薄YSZ样品,通过快速烧结实现位错和小晶粒尺寸,在室温到600℃之间塑性逐渐提高,在400℃时裂纹开始实现缓慢扩散,而传统烧结的YSZ需要800℃或者更高的情况下才能发生塑性变形。材料塑性的提高意味着在相对较低的温度下工作时更加稳定。在裂纹开始出现之前,样品可承受与某些金属一样的压应力。研究人员表示,金属的压缩应变一般在10%20%之间,但是陶瓷在压缩应变不到2%3%时,往往就会破裂成碎片。经过研究证明,快速烧结后的陶瓷在压缩应变7%10%时不会发生严重断裂。


虽然样品也会产生裂纹,但裂纹的形成速度非常缓慢,并且不会像传统陶瓷那样的发生彻底断裂。下一步,研究团队将采用这一原理来设计更具弹性的陶瓷材料。该研究成果已发表在《Nature Communications》杂志上。


参考来源:北方科技信息研究所


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