美国普渡大学：陶瓷材料的室温塑性变形能力提升

中国粉体网讯  近日，美国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大陶瓷的工业应用，经过对单晶二氧化钛和单晶氧化铝陶瓷的测试，表明该方法对于实现陶瓷室温塑性方面具有巨大潜力。该研究成果日前发表在Science Advances期刊。

陶瓷材料以其卓越的机械强度、化学稳定性和热稳定性在工业应用中占有一席之地。然而，它们的高脆性成为了限制应用范围的主要障碍，为了克服这一难题，科学家们一直在探索提高陶瓷塑性的方法。此次研究是研究人员通过在高温下预加载在材料中人为引入大量缺陷——经过预加载处理后，发现单晶二氧化钛陶瓷在室温下可达到10%的应变；单晶氧化铝陶瓷的应变能力也达到6至7.5%。这些预注入的缺陷使得陶瓷在室温下能够发生塑性变形。这些发现表明缺陷工程在实现陶瓷室温塑性方面具有巨大的潜力。

在室温下压缩的微柱的比较示意图

在最新的研究中，研究人员表示，“位错可以在晶体内滑动，从而在一定的应力水平下实现塑性变形。然而，在陶瓷材料中，在室温下很难使位错成核，因为陶瓷中的断裂应力远小于在这种温度下使位错成核的应力。相比之下，金属材料具有延展性，因为它们很容易成核，而且位错密度非常高。位错在室温下在金属中是可移动的，这大大提高了它们的延展性。因此，提高陶瓷塑性的方法是在开始变形之前在陶瓷中成核大量位错。”

此前，该研究团队曾用闪速烧结增强钇稳定氧化锆等陶瓷材料的塑性，但该方法因其主要用于氧化物陶瓷而缺乏扩展性。由预加载缺陷思路为指导，研究团队引入包括位错和孪晶等高密度缺陷后，测试陶瓷微柱样品，明确其可在室温下实现相当大的塑性。

随着高温预加载技术的进一步发展和完善，预计将有更多的高性能陶瓷材料被开发出来，这将极大地推动材料科学领域的发展，并在航空航天、生物医疗、电子信息等多个高技术领域发挥关键作用。

（中国粉体网编辑整理/空青）

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