Pesquisadores melhoram a plasticidade de materiais cerâmicos à temperatura ambiente
Testes de microcompressão uniaxial in situ no SC TiO2 à temperatura ambiente, 600 ° C e 600 ° C, pré-carga/compressão à temperatura ambiente a uma taxa de deformação constante de 5 × 10
−3
s
−1
.(A a D) Uma curva tensão-deformação representativa de SC TiO2 testado em temperatura ambiente. Os pilares sofreram ruptura frágil na deformação de ~3% acompanhada pela propagação de fissuras. (E a H) Para micropilares testados a 600°C, a banda de cisalhamento emergiu na deformação de 6%. Bandas de cisalhamento evidentes foram geradas com compressão sucessiva sem ruptura frágil. (I a L) Os micropilares foram primeiro comprimidos a 600°C até o ponto de escoamento e resfriados até a temperatura ambiente. Durante o teste de compressão RT, a tensão de fluxo aumentou continuamente para 6,5 GPa, acompanhada por serrilhados e quedas de carga. Foram geradas bandas de cisalhamento e a deformação compressiva atingiu 10% sem ruptura frágil. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4079 Pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Purdue desenvolveram e validaram um método com patente pendente que poderia expandir as aplicações industriais da cerâmica, tornando-as mais deformáveis plasticamente à temperatura ambiente.
Plasticidade ou deformabilidade plástica é a capacidade de um material ser deformado por compressão, tensão ou cisalhamento em uma forma ou geometria específica sem quebrar. Normalmente, os materiais cerâmicos apresentam deformabilidade plástica muito limitada à temperatura ambiente.
Haiyan Wang e Xinghang Zhang lideram uma equipe de Purdue cujo método melhora a deformabilidade plástica da cerâmica à temperatura ambiente, introduzindo primeiro defeitos de alta densidade em cerâmicas quebradiças sob altas temperaturas. Wang é professor de engenharia Basil S. Turner e Zhang é professor de engenharia de materiais na Escola de Engenharia de Materiais de Purdue.
"Tal estratégia pode melhorar de forma proeminente a deformabilidade plástica da cerâmica à temperatura ambiente e mantém a promessa de injetar ductilidade, ou a capacidade de ser desenhada em uma forma quase líquida, da cerâmica em um futuro próximo", disse Zhang.
A pesquisa foi publicada em Avanços da Ciência . Esta abordagem complementa suas pesquisas anteriores sobre como melhorar a deformabilidade do plástico cerâmico por meio do método de sinterização flash, publicada em uma edição de 2018 da Nature Communications. .
"Nem todos os materiais cerâmicos podem ser processados pelo método de sinterização flash", disse Wang. "Este novo método pode ser generalizado para quase todos os materiais cerâmicos."
Cerâmica:benéfica, mas frágil
Os materiais cerâmicos são usados como materiais estruturais em indústrias como aeroespacial, transporte, usinas de energia e manufatura; e em aplicações como rolamentos em motores e máquinas, capacitores, materiais isolantes elétricos, eletrodos em baterias e células de combustível e revestimentos de barreira térmica em máquinas de alta temperatura.
São mecanicamente fortes e quimicamente inertes; resistir ao desgaste e à corrosão; isolar contra calor e eletricidade; e são mais duros e têm pontos de fusão mais elevados do que os metais. Esses atributos significam que os materiais cerâmicos podem ser usados para cortar metais ou conter metais fundidos e suportar altas tensões em altas temperaturas.
A cerâmica também é frágil à temperatura ambiente; eles se dobram apenas em temperaturas suficientemente altas quando a atividade de deslocamento pode ser ativada. Os metais, por outro lado, dobram-se sem quebrar à temperatura ambiente.
Wang disse que a cerâmica tem poucos deslocamentos, o que causa sua natureza frágil. Luxações são defeitos em materiais que alteram a disposição dos átomos em uma estrutura.
"Um deslocamento pode deslizar dentro dos cristais para permitir a deformabilidade plástica em certos níveis de tensão", disse Wang. "No entanto, em materiais cerâmicos, é difícil nuclear discordâncias à temperatura ambiente, já que a tensão de fratura na cerâmica é muito menor do que a tensão para nuclear discordâncias em tais temperaturas."
Zhang disse:"Em contraste, os materiais metálicos são dúcteis porque nucleam facilmente uma densidade muito alta de discordâncias. E as discordâncias são móveis em metais à temperatura ambiente, melhorando significativamente sua ductilidade. Portanto, a maneira de melhorar a plasticidade da cerâmica é nuclear discordâncias abundantes em cerâmica antes de começarmos a deformá-las."
Técnica para melhorar a ductilidade
Wang disse que foram feitos grandes esforços para melhorar a deformabilidade da cerâmica, mas com sucesso limitado.
A equipe de Purdue introduziu discordâncias em materiais cerâmicos pré-carregando-os durante a deformação em altas temperaturas. Chao Shen, um estudante de pós-graduação da equipe, disse que uma vez que as amostras de cerâmica são resfriadas, os deslocamentos melhoram a plasticidade da cerâmica à temperatura ambiente.
"Este método é mais amplamente aplicável a uma ampla gama de cerâmicas do que o método de sinterização flash, uma vez que nem todos os materiais cerâmicos podem ser processados por sinterização flash", disse Wang. "As discordâncias de pré-carga também podem ser muito mais fáceis de aumentar na prática para processamento e tratamento de cerâmica em larga escala do que a sinterização flash."
A técnica foi testada e validada em laboratório em diversos sistemas cerâmicos e pilares cerâmicos de diferentes dimensões.
"Após o tratamento de pré-carga, o dióxido de titânio monocristalino exibiu um aumento substancial na deformabilidade, atingindo 10% de tensão à temperatura ambiente", disse Zhang. “O óxido de alumínio também apresentou deformabilidade plástica, deformação de 6% a 7,5%, utilizando a técnica de pré-carga.”
A equipe de pesquisa – incluindo Wang, Zhang e R. Edwin Garcia, professor de engenharia de materiais, e seus alunos de pós-graduação – colaborará com a indústria em demonstrações em larga escala desta abordagem em vários sistemas cerâmicos.
Wang e Zhang divulgaram a inovação ao Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, que solicitou uma patente do Escritório de Marcas e Patentes dos EUA para proteger a propriedade intelectual.
