Ceramica resa plasticamente deformabile a temperatura ambiente / Ceramics made plastically deformable at room temperature

Ceramica resa plasticamente deformabile a temperatura ambiente / Ceramics made plastically deformable at room temperature

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La ceramica potrebbe essere applicata più ampiamente in seguito allo sviluppo di un metodo in attesa di brevetto che la rende più deformabile plasticamente a temperatura ambiente.

La plasticità o deformabilità plastica è la capacità di un materiale di deformarsi mediante compressione, tensione o taglio in una forma o geometria specifica senza rompersi. Tipicamente, i materiali ceramici mostrano una deformabilità plastica molto limitata a temperatura ambiente.

Ora, Haiyan Wang e Xinghang Zhang del  College of Engineering della Purdue University hanno guidato un gruppo il cui metodo si dice migliori la deformabilità plastica della ceramica a temperatura ambiente introducendo prima difetti ad alta densità nella ceramica fragile alle alte temperature. La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.

"Tale strategia può migliorare notevolmente la deformabilità plastica della ceramica a temperatura ambiente e mantiene la promessa di conferire duttilità, o la capacità di essere trascinata in una forma quasi netta, alla ceramica nel prossimo futuro", ha affermato Zhang in una nota.

I materiali ceramici sono utilizzati come materiali strutturali nel settore aerospaziale, dei trasporti, delle centrali elettriche e della produzione; ed in applicazioni quali cuscinetti di motori e macchine, condensatori, materiali isolanti elettrici, elettrodi in batterie e celle a combustibile e rivestimenti di barriera termica in macchine ad alta temperatura.

Sono meccanicamente resistenti e chimicamente inerti; resistere all'usura ed alla corrosione; isolare dal calore e dall'elettricità; e sono più duri e hanno punti di fusione più elevati rispetto ai metalli.

La ceramica è fragile a temperatura ambiente; si piegano solo a temperature sufficientemente elevate quando l'attività di dislocazione può essere attivata, mentre i metalli si piegano senza rompersi a temperatura ambiente.

Wang ha detto che le ceramiche hanno poche dislocazioni – difetti nei materiali che cambiano la disposizione degli atomi in una struttura – che causano la loro natura fragile.

"Una dislocazione può scivolare all'interno dei cristalli per consentire la deformabilità plastica a determinati livelli di stress", ha affermato Wang. “Tuttavia, nei materiali ceramici, è difficile nucleare le dislocazioni a temperatura ambiente, poiché lo stress da frattura nella ceramica è molto inferiore allo stress da nucleare le dislocazioni a tali temperature”.

"Al contrario, i materiali metallici sono duttili perché facilmente nucleano una densità molto elevata di dislocazioni", ha detto Zhang. “E le dislocazioni sono mobili nei metalli a temperatura ambiente, migliorandone significativamente la duttilità. Quindi il modo per migliorare la plasticità della ceramica è nucleare abbondanti dislocazioni nella ceramica prima di iniziare a deformarle”.

Wang ha affermato che sono stati fatti grandi sforzi per migliorare la deformabilità della ceramica, ma con un successo limitato. 

Il gruppo della Purdue ha introdotto dislocazioni nei materiali ceramici precaricandoli durante la deformazione ad alte temperature. Una volta raffreddati i campioni ceramici, le dislocazioni migliorano la plasticità della ceramica a temperatura ambiente.

La tecnica è stata testata e validata su vari sistemi ceramici e pilastri ceramici di diverse dimensioni.

"Dopo il trattamento di precarico, il biossido di titanio monocristallino ha mostrato un aumento sostanziale della deformabilità, raggiungendo una deformazione del 10% a temperatura ambiente", ha affermato Zhang. “L’ossido di alluminio ha mostrato anche deformabilità plastica, con una deformazione compresa tra il 6% e il 7,5%, utilizzando la tecnica del precarico”.

Il gruppo di ricerca prevede ora di collaborare con l'industria su dimostrazioni su larga scala di questo approccio in vari sistemi ceramici.

ENGLISH

Ceramics could be applied more widely following the development of a patent-pending method that makes them more plastically deformable at room temperature.

Plasticity or plastic deformability is a material’s ability to be deformed by compression, tension or shear into a specific shape or geometry without breaking. Typically, ceramic materials exhibit very limited plastic deformability under room temperature.

Now, Haiyan Wang and Xinghang Zhang from Purdue University’s College of Engineering have lead a team whose method is said to improve ceramic room-temperature plastic deformability by first introducing high-density defects in brittle ceramics under high temperatures. The research has been published in Science Advances.

“Such a strategy can prominently improve the room-temperature plastic deformability of ceramics, and holds the promise to inject ductility, or the ability to be drawn into near net shape, of ceramics in the near future,” Zhang said in a statement. 

Ceramic materials are used as structural materials in aerospace, transportation, power plants and manufacturing; and in applications such as bearings in engines and machines, capacitors, electrical insulating materials, electrodes in batteries and fuel cells, and thermal barrier coatings in high-temperature machines.

They are mechanically strong and chemically inert; resist wear and corrosion; insulate against heat and electricity; and are harder, and have higher melting points, than metals.

Ceramics are brittle at room temperature; they bend only at high enough temperatures when dislocation activity can be activated, whereas metals bend without breaking at room temperature.

Wang said ceramics have few dislocations - defects in materials that change the arrangement of atoms in a structure - causing their brittle nature.

“A dislocation can glide within crystals to enable plastic deformability at certain stress levels,” said Wang. “However, in ceramic materials, it is difficult to nucleate dislocations at room temperature, as the fracture stress in ceramics is much less than the stress to nucleate dislocations at such temperatures.”

“In contrast, metallic materials are ductile because they easily nucleate a very high density of dislocations,” said Zhang. “And dislocations are mobile in metals at room temperature, significantly improving their ductility. So the way to improve plasticity for ceramics is to nucleate abundant dislocations in ceramics before we start to deform them.”

Wang said extensive efforts have been made to enhance the deformability of ceramics, but with limited success. 

The Purdue team has introduced dislocations into ceramic materials by preloading them during deformation at high temperatures. Once the ceramic specimens are cooled, the dislocations improve the plasticity of ceramics at room temperature.

The technique has been tested and validated on various ceramic systems and ceramic pillars of different dimensions.

“After the preloading treatment, single-crystal titanium dioxide exhibited a substantial increase in deformability, achieving 10 per cent strain at room temperature,” Zhang said. “Aluminium oxide also showed plastic deformability, six per cent to 7.5 per cent strain, using the preloading technique.”

The research team now plans to collaborate with industry on large-scale demonstrations of this approach in various ceramics systems.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/ceramics-made-plastically-deformable-at-room-temperature