I ricercatori del College of Engineering della Purdue University hanno sviluppato e convalidato un metodo in attesa di brevetto che potrebbe espandere le applicazioni industriali della ceramica rendendola più deformabile plasticamente a temperatura ambiente.
La plasticità o deformabilità plastica è la capacità di un materiale di deformarsi mediante compressione, tensione o taglio in una forma o geometria specifica senza rompersi. In genere, i materiali ceramici mostrano una deformabilità plastica molto limitata a temperatura ambiente.
Haiyan Wang e Xinghang Zhang guidano un team della Purdue il cui metodo migliora la deformabilità plastica della ceramica a temperatura ambiente introducendo innanzitutto difetti ad alta densità nella ceramica fragile ad alte temperature. Wang è professore di ingegneria presso Basil S. Turner e Zhang è professore di ingegneria dei materiali presso la School of Materials Engineering di Purdue.
"Tale strategia può migliorare notevolmente la deformabilità plastica della ceramica a temperatura ambiente e promette di conferire alla ceramica duttilità, o la capacità di essere trascinata in una forma quasi netta, nel prossimo futuro", ha affermato Zhang.
La ricerca è stata pubblicata su Science Advances . Questo approccio integra la loro precedente ricerca sul miglioramento della deformabilità della plastica ceramica tramite il metodo della sinterizzazione flash, pubblicata in un numero del 2018 di Nature Communications .
"Non tutti i materiali ceramici possono essere lavorati con il metodo della sinterizzazione flash", ha detto Wang. "Questo nuovo metodo può essere generalizzato a quasi tutti i materiali ceramici."
I materiali ceramici sono utilizzati come materiali strutturali in settori come quello aerospaziale, dei trasporti, delle centrali elettriche e della produzione; e in applicazioni quali cuscinetti di motori e macchinari, condensatori, materiali isolanti elettrici, elettrodi in batterie e celle a combustibile e rivestimenti di barriera termica in macchine ad alta temperatura.
Sono meccanicamente resistenti e chimicamente inerti; resistere all'usura e alla corrosione; isolare dal calore e dall'elettricità; e sono più duri e hanno punti di fusione più elevati rispetto ai metalli. Questi attributi fanno sì che i materiali ceramici possano essere utilizzati per tagliare metalli o contenere metalli fusi e sostenere sollecitazioni elevate ad alte temperature.
Anche la ceramica è fragile a temperatura ambiente; si piegano solo a temperature sufficientemente elevate quando è possibile attivare l'attività di dislocazione. I metalli, al contrario, si piegano senza rompersi a temperatura ambiente.
Wang ha detto che le ceramiche hanno poche dislocazioni, causando la loro natura fragile. Le dislocazioni sono difetti nei materiali che modificano la disposizione degli atomi in una struttura.
"Una dislocazione può scivolare all'interno dei cristalli per consentire la deformabilità plastica a determinati livelli di stress", ha detto Wang. "Tuttavia, nei materiali ceramici, è difficile nucleare le dislocazioni a temperatura ambiente, poiché lo stress da frattura nella ceramica è molto inferiore allo stress da nucleare dislocazioni a tali temperature."
Zhang ha detto:"Al contrario, i materiali metallici sono duttili perché nucleano facilmente una densità molto elevata di dislocazioni. E le dislocazioni sono mobili nei metalli a temperatura ambiente, migliorando significativamente la loro duttilità. Quindi il modo per migliorare la plasticità per la ceramica è nucleare abbondanti dislocazioni nella ceramica prima di iniziare a deformarli."
Wang ha affermato che sono stati compiuti notevoli sforzi per migliorare la deformabilità della ceramica, ma con solo un successo limitato.
Il team della Purdue ha introdotto dislocazioni nei materiali ceramici precaricandoli durante la deformazione ad alte temperature. Chao Shen, uno studente laureato del team, ha affermato che una volta raffreddati i campioni di ceramica, le dislocazioni migliorano la plasticità della ceramica a temperatura ambiente.
"Questo metodo è più ampiamente applicabile a un'ampia gamma di ceramiche rispetto al metodo della sinterizzazione flash, poiché non tutti i materiali ceramici possono essere lavorati mediante sinterizzazione flash", ha affermato Wang. "Il precarico delle dislocazioni può anche essere molto più semplice da implementare nella pratica per la lavorazione e il trattamento su larga scala della ceramica rispetto alla sinterizzazione flash."
La tecnica è stata testata e validata nel loro laboratorio su vari sistemi ceramici e pilastri ceramici di diverse dimensioni.
"Dopo il trattamento di precarico, il biossido di titanio monocristallino ha mostrato un aumento sostanziale della deformabilità, raggiungendo una deformazione del 10% a temperatura ambiente", ha affermato Zhang. "L'ossido di alluminio ha mostrato anche deformabilità plastica, deformazione dal 6% al 7,5%, utilizzando la tecnica del precarico."
Il gruppo di ricerca, che comprende Wang, Zhang e R. Edwin Garcia, professore di ingegneria dei materiali, e i loro studenti laureati, collaborerà con l'industria su dimostrazioni su larga scala di questo approccio in vari sistemi ceramici.
Wang e Zhang hanno rivelato l'innovazione al Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, che ha richiesto un brevetto presso l'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti per proteggere la proprietà intellettuale.
Ulteriori informazioni: Chao Shen et al, Ottenimento della plasticità a temperatura ambiente in ceramiche fragili attraverso il precarico a temperatura elevata, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4079
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura , La scienza avanza
Fornito dalla Purdue University
