Les chercheurs de Purdue ont observé un moyen de surmonter la nature fragile de la céramique car elle supporte de lourdes charges, conduisant à des structures plus résilientes telles que des revêtements de pales de moteurs d'avions et des implants dentaires.

Bien que intrinsèquement fort, la plupart des céramiques ont tendance à se fracturer soudainement lorsqu'elles sont juste légèrement sollicitées sous une charge, à moins d'être exposées à des températures élevées. Les composants céramiques structurels nécessitent également des températures élevées pour se former en premier lieu à travers un long processus appelé frittage, dans lequel un matériau en poudre fusionne en une masse solide.

Ces problèmes sont particulièrement problématiques pour les revêtements céramiques d'aubes métalliques de moteurs destinés à protéger les noyaux métalliques d'une plage de températures de fonctionnement. Une étude publiée dans Communication Nature démontre pour la première fois que l'application d'un champ électrique à la formation de zircone stabilisée à l'yttria (YSZ), une céramique barrière thermique typique, rend le matériau presque aussi plastique, ou facilement remodelé, comme métal à température ambiante. Les ingénieurs pourraient également voir des fissures plus tôt car elles commencent à se former lentement à une température modérée par opposition à des températures plus élevées, leur donner le temps de sauver une structure.

"Autrefois, lorsque nous avons appliqué une charge élevée à des températures plus basses, un grand nombre de céramiques échoueraient catastrophiquement sans avertissement, " dit Xinghang Zhang, professeur de génie des matériaux. "Maintenant, nous pouvons voir les fissures venir, mais le matériel reste ensemble; c'est un échec prévisible et beaucoup plus sûr pour l'utilisation de la céramique."

Des études récentes ont montré que l'application d'un champ électrique, ou "flash, " accélère considérablement le processus de frittage qui forme l'YSZ et d'autres céramiques, et à des températures de four bien inférieures à celles du frittage conventionnel. Les céramiques frittées flash ont également très peu de porosité, ce qui les rend plus denses et donc plus faciles à déformer. Aucun n'a encore testé la capacité des céramiques frittées flash à changer de forme à température ambiante ou à des températures de plus en plus élevées.

"YSZ est un revêtement de barrière thermique très typique - il protège essentiellement un noyau métallique de la chaleur, " a déclaré Haiyan Wang, Professeur d'ingénierie Basil S. Turner de Purdue. "Mais il a tendance à souffrir de nombreuses fractures lorsqu'un moteur chauffe et se refroidit en raison de contraintes résiduelles."

Ce qui permet aux métaux d'être incassables et faciles à changer de forme, c'est la présence de « défauts, " ou dislocations - des plans d'atomes supplémentaires qui se mélangent pendant la déformation pour faire simplement se déformer un matériau plutôt que de se casser sous une charge.

"Ces luxations vont se déplacer sous compression ou tension, de telle sorte que le matériau ne tombe pas en panne, " dit Jaehun Cho, un assistant de recherche diplômé en génie des matériaux.

Les céramiques ne forment normalement pas de dislocations à moins d'être déformées à des températures très élevées. Les frittage flash, cependant, introduit ces dislocations et crée une taille de grain plus petite dans le matériau résultant.

"Les grains plus petits, tels que les grains nanocristallins, peut glisser lors de la déformation du matériau céramique, l'aidant à mieux se déformer, " a dit Wang.

Des dislocations préexistantes et de petites tailles de grains ont permis à un échantillon YSZ fritté flash plus fin que les cheveux humains de devenir de plus en plus plastique entre la température ambiante et 600 degrés Celsius lorsqu'il est compressé, avec des fissures commençant à s'étendre lentement à 400 degrés par opposition à l'YSZ fritté conventionnellement qui nécessite 800 degrés et plus pour se déformer plastiquement.

Une plasticité améliorée signifie une plus grande stabilité pendant le fonctionnement à des températures relativement basses. L'échantillon pouvait également supporter presque autant de contraintes de compression que certains métaux avant que des fissures ne commencent à apparaître.

"Les métaux peuvent être comprimés à 10 ou 20 pour cent de déformation, aucun problème, mais les céramiques se fracturent souvent en morceaux si vous les comprimez à moins de 2-3 pour cent de contrainte, ", a déclaré Zhang. "Nous montrons que la céramique frittée par flash peut être compressée à 7-10 pour cent sans fracture catastrophique."

Même lorsque l'échantillon a commencé à se fissurer, les fissures se sont formées très lentement et n'ont pas entraîné un effondrement complet comme cela se produirait généralement avec les céramiques conventionnelles. Les prochaines étapes consisteraient à utiliser ces principes pour concevoir des matériaux céramiques encore plus résistants.

Les chercheurs n'auraient pas été en mesure d'effectuer des expériences in situ sur un échantillon de céramique de la taille d'un micron sans un outil de test nanomécanique in situ à l'intérieur d'un microscope électronique à balayage haute résolution équipé d'un outil à faisceau de fer focalisé au centre de microscopie des sciences de la vie de Purdue et une installation de microscope électronique FEI Talos 200X dans l'installation d'ingénierie des matériaux de Purdue. Les deux microscopes ont été fournis par le bureau du vice-président exécutif de Purdue pour la recherche et les partenariats et les collèges d'ingénierie et de science. Purdue s'attend à un microscope à correction d'aberration encore plus haute résolution que les chercheurs utiliseront bientôt pour de futures recherches sur les nanomatériaux.