Os pesquisadores do Purdue observaram uma maneira de superar a fragilidade da cerâmica à medida que suportam cargas pesadas, levando a estruturas mais resilientes, como revestimentos de pás de motores de aeronaves e implantes dentários.

Embora inerentemente forte, a maioria das cerâmicas tende a fraturar repentinamente quando apenas levemente tensionada sob uma carga, a menos que exposta a altas temperaturas. Os componentes cerâmicos estruturais também requerem altas temperaturas para se formarem, em primeiro lugar, por meio de um processo demorado chamado sinterização, em que um material em pó se aglutina em uma massa sólida.

Esses problemas são particularmente problemáticos para revestimentos de cerâmica de lâminas de motor de metal destinadas a proteger núcleos de metal de uma variedade de temperaturas operacionais. Um estudo publicado em Nature Communications demonstra pela primeira vez que a aplicação de um campo elétrico à formação de zircônia estabilizada com ítria (YSZ), uma cerâmica de barreira térmica típica, torna o material quase tão plástico, ou facilmente remodelado, como metal à temperatura ambiente. Os engenheiros também podem ver rachaduras mais cedo, pois elas começam a se formar lentamente em uma temperatura moderada, em oposição a temperaturas mais altas, dando-lhes tempo para resgatar uma estrutura.

"No passado, quando aplicamos uma carga alta em temperaturas mais baixas, um grande número de cerâmicas iria falhar catastroficamente sem aviso, "disse Xinghang Zhang, professor de engenharia de materiais. "Agora podemos ver as rachaduras chegando, mas o material permanece junto; esta é uma falha previsível e muito mais segura para o uso de cerâmica. "

Estudos recentes têm mostrado que a aplicação de um campo elétrico, ou "flash, "acelera significativamente o processo de sinterização que forma YSZ e outras cerâmicas, e em temperaturas de forno muito mais baixas do que a sinterização convencional. Cerâmicas sinterizadas por flash também têm muito pouca porosidade, o que os torna mais densos e, portanto, mais fáceis de deformar. Nenhum deles testou ainda a capacidade da cerâmica sinterizada por flash de mudar de forma à temperatura ambiente ou em temperaturas cada vez mais altas.

"YSZ é um revestimento de barreira térmica muito típico - basicamente protege um núcleo de metal do calor, "disse Haiyan Wang, Basil S. Turner, Professor de Engenharia, de Purdue. "Mas tende a sofrer muitas fraturas quando um motor esquenta e esfria devido a tensões residuais."

O que permite que os metais sejam resistentes à fratura e fáceis de mudar de forma é a presença de "defeitos, "ou deslocamentos - planos extras de átomos que se misturam durante a deformação para fazer um material simplesmente deformar em vez de quebrar sob uma carga.

"Esses deslocamentos se moverão sob compressão ou tensão, para que o material não falhe, "disse Jaehun Cho, um assistente de pesquisa de pós-graduação em engenharia de materiais.

A cerâmica normalmente não forma deslocamentos, a menos que seja deformada em temperaturas muito altas. Sinterizando-os com flash, Contudo, introduz esses deslocamentos e cria um tamanho de grão menor no material resultante.

"Grãos menores, como grãos nanocristalinos, pode deslizar conforme o material cerâmico se deforma, ajudando a deformar melhor, "Disse Wang.

Deslocamentos pré-existentes e tamanhos de grão pequenos permitiram que uma amostra YSZ sinterizada por flash mais fina do que o cabelo humano crescesse cada vez mais de plástico entre a temperatura ambiente e 600 graus Celsius quando comprimida, com rachaduras começando a se espalhar lentamente a 400 graus ao contrário do YSZ sinterizado convencionalmente que requer 800 graus e mais para deformar plasticamente.

A plasticidade melhorada significa mais estabilidade durante a operação em temperaturas relativamente baixas. A amostra também pode suportar quase tanta pressão de compressão quanto alguns metais antes de as rachaduras começarem a aparecer.

"Os metais podem ser comprimidos a 10 ou 20 por cento de tensão, sem problemas, mas a cerâmica muitas vezes se quebra em pedaços se você comprimi-los a menos de 2-3 por cento de tensão, "Zhang disse." Nós mostramos que a cerâmica sinterizada por flash pode ser comprimida em 7 a 10 por cento sem uma fratura catastrófica. "

Mesmo quando a amostra começou a rachar, as rachaduras se formaram muito lentamente e não resultaram em colapso completo, como normalmente aconteceria com a cerâmica convencional. Os próximos passos seriam usar esses princípios para projetar materiais cerâmicos ainda mais resistentes.

Os pesquisadores não teriam sido capazes de realizar experimentos in-situ de uma amostra de cerâmica de tamanho mícron sem uma ferramenta de teste nanomecânico in-situ dentro de um microscópio eletrônico de varredura de alta resolução equipado com uma ferramenta de feixe de ferro focado no Life Science Microscopy Center de Purdue e uma instalação de microscópio eletrônico FEI Talos 200X na instalação de Engenharia de Materiais da Purdue. Ambos os microscópios foram fornecidos pelo Gabinete do Vice-Presidente Executivo de Pesquisa e Parcerias da Purdue e pelas Faculdades de Engenharia e Ciência. Purdue está esperando um microscópio com correção de aberração de resolução ainda mais alta que os pesquisadores usarão em breve para pesquisas futuras de nanomateriais.