Высокоскоростное спекание добавило керамике упругости и пластичности

Американские материаловеды обнаружили, что метод высокоскоростного спекания под действием электрического поля позволяет получать микрокерамические материалы с необычными механическими свойствами. Если при комнатной температуре такая керамика оказывается сверхупругой и может выдерживать деформации до восьми процентов, то теперь выяснилось, что после нагревания выше 400 градусов Цельсия она становится еще и пластичной и перестает разрушаться при первом появлении трещин, пишут ученые в Nature Communications.

Как правило, керамика — неорганические (в первую очередь оксидные) материалы, прошедшие термическую обработку, — твердая и хрупкая: при внешних нагрузках в керамических материалах быстро образуются трещины, в результате чего они легко раскалываются и крошатся. У некоторых керамических материалов можно наблюдать небольшие пластические деформации, но связаны они в первую очередь с очень медленным вязким течением в аморфных структурах, и этим эффектом при относительно быстрых скоростях деформации можно пренебречь. Определяются механические свойства керамических материалов в первую очередь их структурой — очень небольшим количеством в структуре материала дислокаций — протяженных дефектов, движение которых и связано с пластической деформацией.

Недавно было обнаружено, что довольно необычными механическими свойствами, которые отличаются от свойств других керамических материалов, обладает микрокерамика, полученная методом высокоскоростного спекания (flash sintering). Этот метод спекания, который был предложен для уплотнения керамических материалов в качестве замены традиционному «долгому» спеканию, основан на нагревании материала под действием электрического поля напряженностью несколько вольт на сантиметр. Материал при этом подвергается постепенному нагреванию, и при преодолении критической температуры происходит резкий (в течение нескольких секунд) переход в плотное состояние с повышенной проводимостью. К настоящему моменту уже было показано, что для керамики, полученной таким образом, характерны необычные механические свойства при комнатной температуре (например, сверхупругость и эффект памяти формы), однако что происходит с этими материалами при более высоких температурах — практически не изучалось (даже несмотря на то, что большинство возможных способов применения этих материалов предполагает работу при высоких температурах — часто более тысячи градусов Цельсия).

Американские материаловеды под руководством Синхана Чжана (Xinghang Zhang) из Университета Пердью обнаружили, что полученный с помощью высокоскоростного спекания керамический материал при 400 градусах Цельсия в дополнение к аномальной упругости приобретает еще и пластические свойства и во многом ведет себя подобно металлу. Этот эффект был обнаружен при изучении микроколонн, полученных из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Механические свойства цилиндрической микроколонны диаметром около трех микрометров и высотой шести микрометров авторы работы изучали с помощью эксперимента по одноосному микросжатию, в котором она помещалась между двумя сдвигающимися поверхностями. Характеристики материала оценивались при различных температурах по данным электронной микроскопии (по ним можно было, например, определить, где и в какой момент образуются трещины) и непосредственно из измерений кривых напряжения-деформации.

Оказалось, что при температурах ниже 400 градусов Цельсия микроколоннам из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, удается переносить аномально высокие напряжения (до 3,5 гигапаскаля). Их деформация при этом достигает восьми процентов, что не характерно для объемных керамических материалов того же состава, полученных традиционными методами. Но как только в материале появляются первые трещины, при комнатной температуре это очень быстро приводит к его разрушению. Однако, при нагревании выше 400 градусов Цельсия поведение материала меняется: он переходит в пластичное состояние, которое позволяет необратимо деформировать материал за счет активации движения дислокаций и межзеренных границ. В этом случае пластические деформации препятствуют образованию трещин и замедляют их развитие. При этом авторы работы отмечают, что подобный эффект наблюдается и в объемной керамике, но при значительно более высокой температуре — выше 800 градусов Цельсия.

Ученые отмечают, что, вероятнее всего, основной причиной такого необычного поведения керамического материала при сжатии стало образование большого количества дислокаций. При традиционных методах спекания керамических материалов образование сильных ковалентных или ионных связей препятствует образованию дислокаций, однако метод высокоскоростного спекания с использованием электрического поля позволяет им образоваться в достаточном для пластической деформации количестве, что подтверждается и данными просвечивающей электронной микроскопии.

Для изучения точных механизмов пластической деформации не всегда достаточно экспериментальных методов. Однако мощности современных вычислительных систем уже хватает, чтобы исследовать подобные процессы и с помощью компьютерного моделирования. Например, с помощью метода молекулярной динамики ученым удалось промоделировать высокоскоростное сжатие тантала и на атомарном уровне изучить процессы, происходящие с металлом при его пластической деформации. Другая группа ученых смоделировала деформацию неупорядоченных систем и обнаружила, что для всех твердых систем с аморфной структурой многие механические параметры, связанные с пластической деформацией, являются универсальными.

Александр Дубов