Los investigadores de Purdue han observado una forma en que la naturaleza frágil de la cerámica se puede superar a medida que soportan cargas pesadas, lo que lleva a estructuras más resistentes, como recubrimientos de cuchillas de motores de aviones e implantes dentales.
Aunque es intrínsecamente fuerte, la mayoría de las cerámicas tienden a fracturarse repentinamente cuando se tensan ligeramente bajo una carga a menos que estén expuestas a altas temperaturas. Los componentes cerámicos estructurales también requieren altas temperaturas para formarse en primer lugar a través de un largo proceso llamado sinterización, en el cual un material en polvose une en una masa sólida.
Estos problemas son particularmente problemáticos para los recubrimientos cerámicos de las palas metálicas del motor destinadas a proteger los núcleos metálicos de un rango de temperaturas operativas. Un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza demuestra por primera vez que la aplicación de un campo eléctrico a la formación de zirconia estabilizada con itria YSZ, una típica cerámica de barrera térmica, hace que el material sea casi tan plástico, o fácilmente remodelado, como metal a temperatura ambiente. Los ingenieros también podríanvea grietas antes, ya que comienzan a formarse lentamente a una temperatura moderada en lugar de temperaturas más altas, dándoles tiempo para rescatar una estructura.
"En el pasado, cuando aplicamos una carga alta a temperaturas más bajas, una gran cantidad de cerámica fallaba catastróficamente sin previo aviso", dijo Xinghang Zhang, profesor de ingeniería de materiales. "Ahora podemos ver venir las grietas, pero el materialpermanece unido; este es un fracaso predecible y mucho más seguro para el uso de cerámica ".
Estudios recientes han demostrado que la aplicación de un campo eléctrico o "flash" acelera significativamente el proceso de sinterización que forma YSZ y otras cerámicas, y a temperaturas de horno mucho más bajas que la sinterización convencional. Las cerámicas sinterizadas por flash también tienen muy poca porosidad, quelos hace más densos y, por lo tanto, más fáciles de deformar. Ninguno ha probado aún la capacidad de las cerámicas sinterizadas de cambiar de forma a temperatura ambiente o temperaturas cada vez más altas.
"YSZ es un recubrimiento de barrera térmica muy típico, básicamente protege un núcleo de metal del calor", dijo Haiyan Wang, profesor de ingeniería de Purdue Basil S. Turner. "Pero tiende a sufrir muchas fracturas cuando un motorse calienta y se enfría debido a tensiones residuales "
Lo que permite que los metales sean resistentes a las fracturas y fáciles de cambiar de forma es la presencia de "defectos" o dislocaciones, planos adicionales de átomos que se mezclan durante la deformación para hacer que un material simplemente se deforme en lugar de romperse bajo una carga.
"Estas dislocaciones se moverán bajo compresión o tensión, de modo que el material no falle", dijo Jaehun Cho, un asistente de investigación graduado en ingeniería de materiales.
Las cerámicas normalmente no forman dislocaciones a menos que se deformen a temperaturas muy altas. Sin embargo, la sinterización instantánea introduce estas dislocaciones y crea un tamaño de grano más pequeño en el material resultante.
"Los granos más pequeños, como los granos nanocristalinos, pueden deslizarse a medida que el material cerámico se deforma, lo que ayuda a que se deforme mejor", dijo Wang.
Las dislocaciones preexistentes y los tamaños de grano pequeños permitieron que una muestra de YSZ sinterizada por destello más delgada que el cabello humano creciera cada vez más plástica entre la temperatura ambiente y 600 grados Celsius cuando se comprime, con grietas que comienzan a extenderse lentamente a 400 grados en lugar de YSZ sinterizada convencionaleso requiere 800 grados y más para deformarse plásticamente.
La plasticidad mejorada significa más estabilidad durante la operación a temperaturas relativamente bajas. La muestra también podría soportar casi tanta tensión de compresión como algunos metales antes de que comiencen a aparecer las grietas.
"Los metales se pueden comprimir al 10 o 20 por ciento de deformación, no hay problema, pero la cerámica a menudo se fractura en pedazos si los comprime a menos del 2-3 por ciento de deformación", dijo Zhang. "Mostramos que la cerámica sinterizada por evaporación instantánea puede sercomprimido al 7-10 por ciento sin fractura catastrófica "
Incluso cuando la muestra comenzó a agrietarse, las grietas se formaron muy lentamente y no provocaron un colapso completo, como suele ocurrir con la cerámica convencional. Los siguientes pasos serían utilizar estos principios para diseñar materiales cerámicos aún más resistentes.
Los investigadores no habrían podido realizar experimentos in situ de una muestra de cerámica de tamaño micrónico sin una herramienta de prueba nanomecánica in situ dentro de un microscopio electrónico de barrido de alta resolución equipado con una herramienta enfocada de haz de hierro en la Microscopía de Ciencias de la Vida de PurdueCentro y una instalación de microscopio electrónico Talos 200X FEI en la instalación de Ingeniería de Materiales de Purdue. Ambos microscopios fueron proporcionados por la Oficina del Vicepresidente Ejecutivo de Investigación y Asociaciones de Purdue y las Facultades de Ingeniería y Ciencia. Purdue espera una corrección de aberración aún más alta resoluciónmicroscopio que los investigadores usarán pronto para futuras investigaciones de nanomateriales.
Esta investigación dirigida por Purdue cuenta con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval en colaboración con la Universidad de California, Davis y la Universidad de Rutgers.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Kayla Wiles. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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