Обзорная статья о разработке и повышении пластичности керамических материалов при комнатной температуре.-обобщает стратегии преодоления катастрофического разрушения керамики, объективно оценивает проблемы инженерного применения и будущие инновации в области обработки и проектирования. В этой статье представлен краткий обзор обзора, чтобы облегчить обучение соответствующим практикам.
I. Почему керамике не хватает пластичности?
Металлические материалы опираются на внутренние кристаллические дислокации (скольжение решетки), позволяя атомным слоям постепенно перемещаться по этим каналам. В результате обычно наблюдается деформация, а не прямой перелом и разрушение. Подавляющее большинство керамических материалов связаны ионными или ковалентными связями, которые являются прочными и стабильными, что затрудняет создание скольжения, аналогичного скольжению металлов. Следовательно, энергия, необходимая для движения дислокаций, часто превышает прочность на излом, которую может выдержать материал, что приводит к растрескиванию и фрагментации, а не к деформации.-поэтому керамику часто называют «хрупкой».
II. Что может «пластиковая» керамика?
Сочетание ударопрочности с присущей керамике высокой-стойкостью к высоким температурам и высокой прочностью приводит к тому, что аэрокосмические приложения, такие как двигатели и компоненты теплозащиты, лучше противостоят рискам отказов, что значительно повышает надежность. Повышенная «прочность» также снижает сложность обработки в современном производстве полупроводников и повышает надежность прецизионных компонентов оборудования. Короче говоря, высокая стоимость и низкая эффективность и доходность, связанные с прецизионной обработкой сложных конструкций в традиционных отраслях промышленности, могут быть значительно снижены.
III. Стратегии преодоления «хрупкости» керамики
01 Проектирование дефектов
Этот подход создает условия, благоприятные для движения дислокаций, путем контроля дефектов кристалла,-таких как дислокации, вакансии, зернограничные структуры и локальные искажения решетки-, чтобы снизить порог пластической деформации.
Например, результаты исследования, опубликованные в январском номере журнала 2025 г.Материалы сегодняпод названием «Сбор пластичности керамики при комнатной-температуре с помощью механически засеянных дислокаций» показывает, что предварительное-введение большого количества дислокаций может помочь керамике инициировать пластическую деформацию при комнатной температуре. После механического посева дислокаций эти дислокации могут дальше размножаться и перемещаться, что позволяет керамике достигать большей пластической деформации сжатия. В соответствующих исследованиях даже была достигнута пластическая деформация сжатия, превышающая 30%.
02 Структурное проектирование
Эта стратегия направлена на прорывы с точки зрения проектирования керамических конструкций с использованием конкретных подходов, включая:
Уменьшение размера зерна, чтобы многочисленные границы зерен могли препятствовать распространению трещин, а также обеспечить новые механизмы деформации;
Био-конструкции, такие как структуры, напоминающие перламутр, которые заставляют трещины постоянно отклоняться во время распространения, повышая устойчивость к повреждениям;
Некоторые керамические материалы могут достигать пластической деформации за счет относительного скольжения зерен, а не полностью полагаться на дислокации;
Введение аморфных областей для улучшения локальной структурной регулируемости, что позволяет материалу легче снимать напряжение.
03 Цифровое моделирование
Эпоха искусственного интеллекта принесла пользу открытию материалов и экспериментальным испытаниям. Исследователи могут комбинировать молекулярную динамику, расчеты на основе первых-принципов и базы данных материалов для прогнозирования. Сюда входят корреляционные характеристические параметры, такие как коэффициент Пуассона, коэффициент Пью (т. е. отношение модуля сдвига G к модулю объемного сжатия K), кристаллическая структура, температура плавления и химическая связь с пластичностью при комнатной- температуре, что позволяет эффективно и целенаправленно разрабатывать материалы.