普渡大学研究人员改善了陶瓷材料在室温下的可塑性

他们正在申请专利的方法通过高温预紧人为地将缺陷引入陶瓷中

印第安纳州西拉斐特 – 普渡大学工程学院的研究人员开发并验证了一种正在申请专利的方法，该方法可以通过使陶瓷在室温下更具塑性变形来扩展陶瓷的工业应用。

塑性或塑性变形性是指材料通过压缩、拉伸或剪切变形成特定形状或几何形状而不断裂的能力。通常，陶瓷材料在室温下表现出非常有限的塑性变形性。

Haiyan Wang和Xinghang Zhang领导着一个普渡大学团队，他们的方法通过首先在高温下在脆性陶瓷中引入高密度缺陷来提高陶瓷室温塑性变形性。Wang是普渡大学材料工程学院的Basil S. Turner工程学教授，Zhang是材料工程教授。

“这种策略可以显着提高陶瓷的室温塑性变形性，并有望在不久的将来注入陶瓷的延展性或被拉成近净形状的能力，”张说。

该研究已发表在同行评审的《科学进展》杂志上。这种方法补充了他们之前关于通过闪蒸烧结方法提高陶瓷塑性变形性的研究，该研究发表在同行评审期刊《自然通讯》2018年的一期上。

“并非所有陶瓷材料都可以通过闪蒸烧结方法进行加工，”王说。“这种新方法可以推广到几乎所有的陶瓷材料。

陶瓷：有益，但易碎

陶瓷材料在航空航天、交通、发电厂和制造业等行业用作结构材料;以及发动机和机器中的轴承、电容器、电绝缘材料、电池和燃料电池中的电极以及高温机器中的热障涂层等应用。

它们具有机械强度和化学惰性;耐磨损和耐腐蚀;隔热和隔电;并且比金属更坚硬，熔点更高。这些属性意味着陶瓷材料可用于切割金属或包含熔融金属，并在高温下承受高应力。

陶瓷在室温下也很脆;它们只有在足够高的温度下才能弯曲，此时可以激活位错活动。相比之下，金属在室温下弯曲而不会断裂。

Wang说，陶瓷几乎没有位错，导致其脆性。位错是材料中的缺陷，会改变结构中原子的排列。

“位错可以在晶体内滑动，以在某些应力水平下实现塑性变形，”Wang说。“然而，在陶瓷材料中，很难在室温下成核位错，因为陶瓷中的断裂应力远小于在这种温度下成核位错的应力。

Zhang说：“相比之下，金属材料具有延展性，因为它们很容易形成非常高密度的位错。位错在室温下在金属中是可移动的，显著提高了它们的延展性。因此，提高陶瓷塑性的方法是在陶瓷开始变形之前，先在陶瓷中形成大量的位错。

普渡大学提高延展性的技术 

Wang说，已经做出了广泛的努力来增强陶瓷的变形能力，但收效甚微。

普渡大学团队通过在高温变形过程中预加载陶瓷材料，将位错引入陶瓷材料中。该团队的研究生Chao Shen说，一旦陶瓷试样被冷却，位错就会提高陶瓷在室温下的可塑性。

“这种方法比闪烧方法更广泛地适用于各种陶瓷，因为并非所有陶瓷材料都可以通过闪速烧结进行加工，”王说。“在实践中，对于陶瓷的大规模加工和处理，预加载位错也可能比闪蒸烧结更容易扩大规模。”

该技术已在他们的实验室中对各种陶瓷系统和不同尺寸的陶瓷柱进行了测试和验证。

“经过预紧处理后，单晶钛白粉的变形性显着增加，在室温下达到10%的应变，”张说。“使用预紧技术，氧化铝也显示出塑性变形性，6%至7.5%的应变。”

该研究团队 – 包括Wang，Zhang和材料工程教授R. Edwin Garcia及其研究生 – 将与工业界合作，在各种陶瓷系统中大规模演示这种方法。这项工作得到了美国海军研究办公室的支持。

Wang和Zhang向普渡大学创新技术商业化办公室披露了这项创新，该办公室已向美国专利商标局申请了专利以保护知识产权。有兴趣开发或商业化这项工作的行业合作伙伴应联系物理科学业务开发和许可经理 Parag Vasekar，电话 [email protected]，跟踪代码为 68418。

关于普渡大学创新技术商业化办公室

普渡大学创新技术商业化办公室运营着美国领先研究型大学中最全面的技术转让计划之一，该办公室提供的服务支持普渡大学的经济发展计划，并通过商业化、许可和保护普渡大学的知识产权使大学的学术活动受益。在 2023 财年，该办公室报告了 150 笔交易，签署了 203 项技术，收到了 400 项披露，并颁发了 218 项美国专利。该办公室由普渡大学研究基金会管理，该基金会获得了公立和赠地大学协会颁发的2019年创新与经济繁荣大学奖。2020 年，IPWatchdog Institute 将普渡大学在创业创建方面排名全国第三，在专利方面排名前 20 位。普渡大学研究基金会是一个私人的非营利性基金会，旨在推进普渡大学的使命。有关详细信息，请与 [email protected] 联系。

关于普渡大学

普渡大学是一所公共研究机构，在规模上表现出卓越的表现。普渡大学跻身美国前 10 名公立大学之列，其中两所大学进入美国前四名，普渡大学以首屈一指的质量和规模发现和传播知识。超过 105,000 名学生在普渡大学学习各种模式和地点，其中包括近 50,000 名在西拉斐特校区亲自学习的学生。普渡大学的主校区致力于可负担性和可及性，已连续 13 年冻结学费。了解普渡大学如何永不停歇地追求下一个巨大飞跃，包括其在印第安纳波利斯的第一个综合性城市校园、新的 Mitchell E. Daniels， Jr. 商学院和 Purdue Computes——在 https://www.purdue.edu/president/strategic-initiatives。

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来源： 王海燕，[email protected]

张兴航， [email protected]