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最新研究:PVD陶瓷纳米涂层不会“疲劳”,耐久稳定取决于断裂韧性!
2022年11月23日 发布 分类:技术前沿 点击量:47
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11月17日,物理研究门户网站报道了来自维也纳理工大学(TU Wien)发表在物质学报(Acta Materialia)上的研究成果——PVD纳米结构陶瓷涂层不会像金属材料那样有疲劳效应,而决定其耐久稳定性的因素完全取决于断裂韧性。

论文地址:doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118260

重复应力通常会导致材料疲劳

示意图:重复应力通常会导致材料疲劳。然而,超薄陶瓷层不会改变——它们只会在超过负载极限时破裂

极薄的陶瓷涂层可以彻底改变技术部件的特性。例如,涂层用于提高金属的耐热性或耐腐蚀性。涂层工艺对大型涡轮叶片以及生产技术中承受极大压力的工具起着重要作用。TU Wien研究人员研究了决定这种涂层稳定性的因素,其中一些试验在汉堡的DESY同步加速器上获得,DESY的同步加速器提供了聚焦非常好的X射线,可以用于在加载实验期间检查样品的各个点。即使是晶体结构或相邻原子之间距离的微小变化也可以通过这种方式检测到。

“在许多应用中,周期性载荷是一个大问题,”维也纳大学材料科学与技术研究所应用表面和涂层技术研究组组长Helmut Riedl教授说。“如果你将金属部件一次又一次地暴露在一定的力下,在微观尺度上就会发生变化。”一些原子可能会移动,形成的层可能会相互滑过,微小的裂缝可能会发展,最终导致整个部件断裂。这种材料疲劳效应在工程中普遍存在,并得到了很好的研究。然而,薄涂层在应力作用下会发生什么情况尚不清楚。“陶瓷涂层通常只有几纳米到10µm厚,它们的行为与实心陶瓷完全不同,”Lukas Zauner说道,他正在应用表面和涂层技术研究小组撰写论文。TU Wien开发了全新的测量方法:该团队没有像通常那样一起测试金属和陶瓷涂层,而是省去了金属,制作了薄膜技术中常用的各种陶瓷材料的极薄样品,并以精确定义的方式一次又一次地将其暴露在各种载荷下。

这些测量结果表明:陶瓷实际上没有变化。即使数百万次负载循环也不会导致材料疲劳。Helmut Riedl说:“标准陶瓷会根据某些模式疲劳,类似于我们从金属中知道的那种疲劳。但这些极薄的层并没有表现出这种行为。”。“他们的微观结构在结束时和开始时一样。当然,这也改变了新的、改进的陶瓷涂层材料研究项目的设计策略。你不必做长时间的长期测试,通过简单的载荷测试就可以找出哪种材料在哪种力下断裂。你不必担心如何可能减轻材料中的疲劳效应,你只需要找到具有最高断裂韧性的材料,即使这本身不是一项简单的任务。”

该团队已经找到了一种很好的候选材料:某种形式的二硼化铬在测试中被证明具有惊人的抵抗力。这为未来有希望的研究取得最大成功铺平了道路。


编译整理 YUXI

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