Wymiana wiązania zapobiega pękaniu twardej ceramiki pod ciśnieniem | Szukaj

Naukowcy z Chin stworzyli ceramikę dwufazową, która zamiast pękać, odkształca się podczas prasowania. Zespół jest przekonany, że technika, w której azotek krzemu absorbuje naprężenia poprzez przełączanie wiązań podczas stopniowej przemiany fazowej, może potencjalnie znaleźć zastosowanie w innych litych materiałach ceramicznych wykonanych z wiązań kowalencyjnych.

Ceramika kowalencyjna, taka jak azotek krzemu, należą do najmocniejszych i najtwardszych materiałów konstrukcyjnych ze względu na sieć twardych wiązań chemicznych, które utrzymują strukturę na miejscu. Jednak powoduje to również, że stają się one kruche, ponieważ nie mogą łatwo pochłaniać energii przez odkształcenie. Ceramika, taka jak dwutlenek cyrkonu, stosowana w stomatologii, może wykazywać niewielką elastyczność dzięki przekształceniom mikroskopowym. Jednak dwutlenek cyrkonu jest postrzegany jako związek jonowy – jego poziomy atomowe mogą się przesuwać po naciśnięciu. Nie jest to możliwe w ceramice kowalencyjnej.

Ale Kexin Chen Wraz z kolegami z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie znaleźli sposób na podwojenie wytrzymałości na pękanie nanofilarów z azotku krzemu. Azotek krzemu (Si₃n₄) we wszystkim, od narzędzi skrawających do Małe okiennice na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Ma dwa polimorfy, α i . Tradycyjny proces spiekania β-Si tworzy prawie czysty₃n₄ Kryształ. Jednak naukowcy opracowali protokół spiekania w niskiej temperaturze, który umożliwia produkcję ceramiki, w której każde ziarno zawiera regiony α i β.

Po ściśnięciu ziarno ulega przemianie fazowej w kierunku α-Si₃n₄, uwalniając energię stresu zmagazynowaną w wiązaniach. Dzieje się to poprzez proces zrywania więzi oraz natychmiastowy i trwały powrót do interfejsu, który naukowcy nazywają zamianą wiązań.

Naukowcy są przekonani, że odkształcalny azotek krzemu może być przydatny w zastosowaniach od kuloodpornych kamizelek kuloodpornych po komponenty silnika i sztuczne stawy biodrowe. Co więcej, zauważają, że inne materiały ceramiczne, takie jak ultratwardy węglik krzemu, mają wiele kształtów i dlatego mogą być utwardzane za pomocą tego samego mechanizmu.

„Z naukowego punktu widzenia jest to bardzo interesujące: nie sądzę, żebym wcześniej widział coś takiego w tego typu materiałach” – mówi materiałoznawca. Poduszka Nitin z Brown University w Rhode Island, USA. Należy jednak zauważyć, że materiały są słabsze przy rozciąganiu niż przy ściskaniu, ponieważ gdy zaczynają się pęknięcia, są one ciągnięte i rozprowadzane po całym materiale. „To właśnie siła napięcia jest piętą achillesową ceramiki” – mówi. Uważa, że ​​ceramika dwufazowa powinna być również testowana pod wpływem rozciągania, a nie tylko pod ciśnieniem, poprzez wprowadzenie pęknięcia. „Moje pieniądze polegają na tym, że pęknięcie nastąpi bez dowodów na rodzaj ruchu granicznego, który występuje przed wierzchołkiem pęknięcia”.

Jednak Pad wierzy, że zamiana wiązań może zwiększyć odporność na naprężenia w innych materiałach ceramicznych, ponieważ atomy mogą zmieniać się przy niższych naprężeniach – ale nie w przypadku bardzo sztywnych atomów, takich jak węglik krzemu, gdzie wiązania są sztywniejsze niż azotek krzemu.