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氧化锆增韧研究进展:媲美金属合金韧性的高强结构陶瓷问世
2023年09月15日 发布 分类:技术前沿 点击量:348
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日前,美国国家科学院院刊发表了亚利桑那州立大学的研究人员开发出媲美金属合金韧性的超强氧化锆陶瓷材料的成果,其具备超高韧性的同时仍然保持了陶瓷结构材料高达1200MPa的高强度水平,这对于陶瓷结构材料的设计和应用大有裨益,大大拓宽了陶瓷结构材料的应用范围和潜力。

论文地址:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304498120

尽管结构陶瓷普遍具有很高强度,但低韧性严重限制了其实际应用。材料科学家的终极目标之一就是开发兼具高强和高韧的结构材料。多晶氧化锆陶瓷(Y-TZPs)作为代表性的高韧陶瓷受到广泛关注,机理源于相变增韧机制——当裂纹扩展时,裂纹周围会发生应力诱导的T相到单斜相M(T→M) 相变,相变导致体积膨胀4%至5%,这也阻碍了裂纹继续扩展。以此为研究理论基础,研究人员的方向在于在外部压力下能够更容易地激活T→M转变,则可以使Y-TZP变得更为坚韧。


1400℃下烧结的微观结构和化学性质

(A)SEM图像(B)STEM-EDS(C)Zr-Kα(D)Y-Kα的STEM图像和相应的元素图

本次研究中,研究人员选取市售亚稳定四方相2-4mol%Y2O3为原料。室温下,T相的稳定性取决于氧化钇浓度(正比)和晶粒大小(反比),所以研究人员预判可以通过降低氧化钇浓度和增加晶粒尺寸来降低T相的稳定,以此进行增韧。此前的大多数研究都集中在2至4mol%Y-TZP晶粒尺寸的设计上,更低浓度的氧化钇则会导致陶瓷致密度降低。

本次研究掺杂了氧化铝以提高烧结性能和机械性能,从而实现了完全致密的1.5 mol% Y-TZP(1.5Y)氧化锆陶瓷的制备。其结果表现出超20MPam1/2的高韧性,与金属相当,同时保持超过1200MPa的强度。此外,这些Y-TZP表现出良好的耐低温降解(LTD)能力,使其可用于未来的实际工业和医疗应用。


编译整理 YUXI

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