I materiali ceramici resistenti alla fessurazione sono utilizzati in una varietà di settori, dall'ingegneria aerospaziale all'odontoiatria. Rafforzarli per migliorarne l'efficienza e la sicurezza è quindi un'importante area di indagine. I ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno utilizzato la diffrazione dei raggi X risolta nel tempo per osservare l'indurimento della trasformazione nella ceramica di zirconia durante la frattura dinamica. I loro risultati sono pubblicati in Lettere di fisica applicata .

Gli attuali metodi di osservazione consentono di osservare in situ la formazione di crepe nei materiali durante l'applicazione dei carichi. Queste analisi ravvicinate possono catturare i cambiamenti su scala molto ridotta con una risoluzione rapida, fornendo immagini chiare delle fratture e di come il materiale le resiste attraverso l'indurimento.

Però, la tempra di trasformazione dei materiali ceramici è legata ai cambiamenti nella loro disposizione a livello atomico, che non può essere visto utilizzando le tecniche disponibili. Ottenere un quadro in tempo reale di tali trasformazioni nella struttura cristallina è importante per ottenere un quadro completo di come i materiali rispondono al carico dinamico.

I ricercatori hanno quindi utilizzato la diffrazione dei raggi X risolta nel tempo per seguire il comportamento dei policristalli di zirconia tetragonale stabilizzati con ittrio (Y-TZP) sottoposti a carico d'urto.

"Y-TZP è un materiale ceramico ampiamente utilizzato con elevata resistenza e tenacità alla frattura che ha numerose applicazioni. C'è quindi molta attenzione a comprenderlo meglio in modo da poter continuare a ottimizzarlo, " spiega il professor Atsushi Kyono. "Finora, non abbiamo avuto un'immagine chiara di quando nel processo di frattura si verificano cambiamenti nella struttura cristallina, quindi la nostra comprensione del rafforzamento della trasformazione in Y-TZP è stata leggermente confusa."

In condizioni normali, Y-TZP ha una struttura cristallina tetragonale. Questo non è cambiato quando è stato applicato il carico. Però, quando è iniziata la frattura dinamica, sono state rilevate piccole quantità della fase monoclina. Ciò ha indicato che la frattura dinamica contribuisce al processo di indurimento della trasformazione.

I ricercatori hanno dimostrato che l'indurimento della trasformazione è correlato a un processo noto come frattura di scheggia, che fornisce informazioni sull'origine dell'elevata resistenza alla scheggiatura delle ceramiche in zirconia.

"Oltre a rivelare alcune delle cause alla base del comportamento delle ceramiche in zirconia, abbiamo dimostrato la fattibilità del nostro metodo per l'analisi in situ dei cambiamenti della struttura cristallina, ", afferma il primo autore dello studio Sota Takagi. "Riteniamo che i nostri risultati contribuiranno al continuo sviluppo di ceramiche resistenti per un'ampia gamma di applicazioni, dalle parti degli isolanti elettrici agli utensili da cucina".