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普渡大学发现改善钇稳定氧化锆YSZ涂层稳定性新方法

文章来源：未知更新时间：2018-06-11 09:50:24

据报道，近日，普渡大学宣布利用高温改变陶瓷承受重负荷时的易碎性能，使其具有类似金属的塑性，可用于改进飞机发动机叶片涂层等。研究首次验证了将电场用于典型的热障陶瓷—氧化钇稳定的氧化锆（YSZ），使得该材料像室温下的金属一样具有塑性或易于形变。

金属具有抗断裂和易于形变的特性是由于存在“缺陷（defects）”或位错（dislocations）——即在变形过程额外的原子层发生转移，从而使材料在负载下发生形变而不会断裂。然而，陶瓷通常不会形成位错，除非在非常高的温度下，将它们进行快速烧结会发生位错，并在所得材料中产生较小的晶粒尺寸。更小的晶粒（如纳米晶粒）会随着陶瓷材料的形变而发生滑动，从而有助于形变过程。

钇稳定氧化锆YSZ是一种非常典型的热障涂层材料，可用于保护重要金属部件免受高温的影响，但当发动机由于残余应力而发热和冷却时，它往往会产生很多的裂缝。经过研究，施加电场能够显著加快YSZ和其他陶瓷的烧结过程，并且无需传统烧结的超高炉温。经过快速烧结（Flash-sintering）的陶瓷具有非常小的孔隙率，因此它们更加致密，且更易于发生形变。

研究表明，对于比人类头发还要薄YSZ样品，通过快速烧结实现位错和小晶粒尺寸，在室温到600℃之间塑性逐渐提高，在400℃时裂纹开始实现缓慢扩散，而传统烧结的YSZ需要800℃或者更高的情况下才能发生塑性变形。材料塑性的提高意味着在相对较低的温度下工作时更加稳定。在裂纹开始出现之前，样品可承受与某些金属一样的压应力。研究人员表示，金属的压缩应变一般在10%—20%之间，但是陶瓷在压缩应变不到2%—3%时，往往就会破裂成碎片。经过研究证明，快速烧结后的陶瓷在压缩应变7%—10％时不会发生严重断裂。

虽然样品也会产生裂纹，但裂纹的形成速度非常缓慢，并且不会像传统陶瓷那样的发生彻底断裂。下一步，研究团队将采用这一原理来设计更具弹性的陶瓷材料。

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