È stato dimostrato che le unità strutturali nucleo-guscio, costituite da un nucleo rigido e un guscio morbido, rappresentano una strategia efficace per migliorare la tenacità della ceramica. I meccanismi di rafforzamento delle unità strutturali nucleo-guscio possono essere attribuiti a diversi fattori:

Deflessione e formazione di ponti della fessura:la presenza del guscio morbido può indurre deflessione e formazione di ponti della fessura, che dissipano efficacemente l'energia delle crepe che si propagano. Quando una fessura incontra un’unità strutturale nucleo-guscio, tende a deviare lungo l’interfaccia tra nucleo e guscio, anziché propagarsi direttamente attraverso la matrice ceramica. Questo meccanismo di deflessione delle crepe aiuta ad aumentare la tenacità del materiale.

Dissipazione di energia:il guscio morbido può subire una deformazione plastica o viscoelastica, che consuma energia e dissipa la concentrazione dello stress all'apice della fessura. Questo meccanismo di dissipazione dell'energia aiuta a ridurre la forza motrice per la propagazione delle cricche e a migliorare la tenacità della ceramica.

Tenacizzazione per trasformazione di fase:in alcuni casi, le unità strutturali nucleo-guscio possono essere sottoposte a tenacizzazione per trasformazione di fase. Ad esempio, quando il nucleo è costituito da una fase metastabile, può trasformarsi in una fase più stabile sotto il campo di stress della fessura che si propaga. Questa trasformazione di fase può indurre espansione di volume e generare tensioni di compressione attorno all’apice della cricca, che possono arrestare efficacemente la propagazione della cricca e migliorare la tenacità della ceramica.

Crack bridging e pullout:il nucleo rigido può fungere da ponte per collegare le superfici della fessura e resistere all'apertura della fessura. Quando una fessura si propaga attraverso una matrice ceramica contenente unità strutturali nucleo-guscio, i nuclei rigidi possono colmare le superfici della fessura e impedire l'ulteriore apertura della fessura. Inoltre, il guscio morbido può favorire l’estrazione dei nuclei rigidi dalla matrice, contribuendo anche all’indurimento della ceramica.

Combinando questi meccanismi di indurimento, le unità strutturali nucleo-guscio possono migliorare significativamente la tenacità della ceramica, rendendola più resistente alla frattura e ai danni. Ciò rende le unità strutturali nucleo-guscio un approccio promettente per lo sviluppo di materiali ceramici avanzati con proprietà meccaniche migliorate.