I ricercatori di Purdue hanno osservato un modo in cui la natura fragile della ceramica può essere superata poiché sostiene carichi pesanti, portando a strutture più resistenti come i rivestimenti delle pale dei motori degli aerei e gli impianti dentali.

Pur essendo intrinsecamente forte, la maggior parte delle ceramiche tende a rompersi improvvisamente quando viene leggermente sollecitata sotto un carico, a meno che non sia esposta a temperature elevate. Anche i componenti strutturali in ceramica richiedono alte temperature per formarsi in primo luogo attraverso un lungo processo chiamato sinterizzazione, in cui un materiale in polvere si fonde in una massa solida.

Questi problemi sono particolarmente problematici per i rivestimenti ceramici delle pale del motore in metallo destinati a proteggere i nuclei metallici da una gamma di temperature operative. Uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura dimostra per la prima volta che applicando un campo elettrico alla formazione di zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ), una tipica ceramica a barriera termica, rende il materiale quasi plastico, o facilmente rimodellato, come metallo a temperatura ambiente. Gli ingegneri potrebbero anche vedere le crepe prima poiché iniziano a formarsi lentamente a una temperatura moderata rispetto a temperature più elevate, dando loro il tempo di salvare una struttura.

"Nel passato, quando abbiamo applicato un carico elevato a temperature più basse, un gran numero di ceramiche fallirebbe catastroficamente senza preavviso, " disse Xinghang Zhang, professore di ingegneria dei materiali. "Ora possiamo vedere le crepe arrivare, ma il materiale resta unito; questo è un fallimento prevedibile e molto più sicuro per l'uso della ceramica".

Recenti studi hanno dimostrato che applicando un campo elettrico, o "lampo, " accelera notevolmente il processo di sinterizzazione che forma YSZ e altre ceramiche, e a temperature del forno molto più basse rispetto alla sinterizzazione convenzionale. Anche le ceramiche sinterizzate flash hanno pochissima porosità, che li rende più densi e quindi più facili da deformare. Nessuno ha ancora testato la capacità delle ceramiche sinterizzate flash di cambiare forma a temperatura ambiente oa temperature sempre più elevate.

"YSZ è un tipico rivestimento a barriera termica:in pratica protegge un nucleo metallico dal calore, " ha detto Haiyan Wang, Basil S. Turner Professore di ingegneria di Purdue. "Ma tende a soffrire di molte fratture quando un motore si surriscalda e si raffredda a causa delle sollecitazioni residue".

Ciò che consente ai metalli di essere resistenti alla frattura e facilmente modificabili è la presenza di "difetti, " o dislocazioni:piani extra di atomi che si mescolano durante la deformazione per far sì che un materiale si deformi semplicemente piuttosto che rompersi sotto un carico.

"Queste dislocazioni si muoveranno sotto compressione o tensione, tale che il materiale non fallisce, " ha detto Jaehun Cho, un assistente di ricerca laureato in ingegneria dei materiali.

Le ceramiche normalmente non formano dislocazioni se non deformate a temperature molto elevate. sinterizzandoli a flash, però, introduce queste dislocazioni e crea una granulometria più piccola nel materiale risultante.

"Grani più piccoli, come i grani nanocristallini, può scivolare quando il materiale ceramico si deforma, aiutandolo a deformarsi meglio, "Ha detto Wang.

Le dislocazioni preesistenti e le piccole dimensioni dei grani hanno permesso a un campione YSZ sinterizzato flash più sottile dei capelli umani di crescere sempre più di plastica tra la temperatura ambiente e i 600 gradi Celsius quando compresso, con crepe che iniziano a diffondersi lentamente a 400 gradi rispetto a YSZ sinterizzato convenzionalmente che richiede 800 gradi e oltre per deformarsi plasticamente.

Una migliore plasticità significa maggiore stabilità durante il funzionamento a temperature relativamente basse. Il campione potrebbe anche resistere alla deformazione da compressione quasi pari a quella di alcuni metalli prima che iniziassero a comparire le crepe.

"I metalli possono essere compressi al 10 o al 20 percento di deformazione, nessun problema, ma le ceramiche spesso si rompono in pezzi se le comprimi a meno del 2-3 percento di deformazione, " ha detto Zhang. "Mostriamo che la ceramica sinterizzata flash può essere compressa al 7-10 per cento senza fratture catastrofiche".

Anche quando il campione ha iniziato a rompersi, le crepe si sono formate molto lentamente e non hanno portato a un collasso completo come normalmente accadrebbe con le ceramiche convenzionali. I prossimi passi consisteranno nell'usare questi principi per progettare materiali ceramici ancora più resistenti.

I ricercatori non sarebbero stati in grado di eseguire esperimenti in situ di un campione ceramico di dimensioni micron senza uno strumento di test nanomeccanico in situ all'interno di un microscopio elettronico a scansione ad alta risoluzione dotato di uno strumento a raggio di ferro focalizzato presso il Life Science Microscopy Center di Purdue e una struttura di microscopio elettronico FEI Talos 200X nella struttura di ingegneria dei materiali di Purdue. Entrambi i microscopi sono stati forniti dall'ufficio del vicepresidente esecutivo per la ricerca e le partnership di Purdue e dai college di ingegneria e scienza. Purdue si aspetta un microscopio con correzione dell'aberrazione a risoluzione ancora più elevata che i ricercatori utilizzeranno presto per la futura ricerca sui nanomateriali.