Des chercheurs du Collège d'ingénierie de l'Université Purdue ont développé et validé une méthode en attente de brevet qui pourrait étendre les applications industrielles des céramiques en les rendant plus déformables plastiquement à température ambiante.
La plasticité ou déformabilité plastique est la capacité d'un matériau à se déformer par compression, tension ou cisaillement pour lui donner une forme ou une géométrie spécifique sans se briser. Généralement, les matériaux céramiques présentent une déformabilité plastique très limitée à température ambiante.
Haiyan Wang et Xinghang Zhang dirigent une équipe Purdue dont la méthode améliore la déformabilité plastique à température ambiante de la céramique en introduisant d'abord des défauts de haute densité dans les céramiques fragiles à haute température. Wang est professeur d'ingénierie Basil S. Turner et Zhang est professeur d'ingénierie des matériaux à l'École d'ingénierie des matériaux de Purdue.
"Une telle stratégie peut améliorer considérablement la déformabilité plastique des céramiques à température ambiante et promet d'injecter de la ductilité, ou la capacité d'obtenir une forme presque nette, des céramiques dans un avenir proche", a déclaré Zhang.
La recherche a été publiée dans Science Advances . Cette approche complète leurs recherches antérieures sur l'amélioration de la déformabilité plastique de la céramique via la méthode de frittage flash, qui ont été publiées dans un numéro de 2018 de Nature Communications. .
"Tous les matériaux céramiques ne peuvent pas être traités par la méthode de frittage flash", a déclaré Wang. "Cette nouvelle méthode peut être généralisée à presque tous les matériaux céramiques."
Les matériaux céramiques sont utilisés comme matériaux de structure dans des industries telles que l'aérospatiale, les transports, les centrales électriques et la fabrication ; et dans des applications telles que les roulements dans les moteurs et les machines, les condensateurs, les matériaux d'isolation électrique, les électrodes dans les batteries et les piles à combustible, et les revêtements de barrière thermique dans les machines à haute température.
Ils sont mécaniquement résistants et chimiquement inertes ; résister à l'usure et à la corrosion ; isoler de la chaleur et de l'électricité; et sont plus durs et ont des points de fusion plus élevés que les métaux. Ces attributs signifient que les matériaux céramiques peuvent être utilisés pour couper des métaux ou contenir des métaux en fusion et supporter des contraintes élevées à des températures élevées.
Les céramiques sont également fragiles à température ambiante; ils ne se plient qu'à des températures suffisamment élevées pour que l'activité de dislocation puisse être activée. Les métaux, en revanche, se plient sans se briser à température ambiante.
Wang a déclaré que les céramiques présentaient peu de dislocations, ce qui explique leur nature fragile. Les dislocations sont des défauts dans les matériaux qui modifient la disposition des atomes dans une structure.
"Une luxation peut glisser à l'intérieur des cristaux pour permettre une déformabilité plastique à certains niveaux de contrainte", a expliqué Wang. "Cependant, dans les matériaux céramiques, il est difficile de nucléer des dislocations à température ambiante, car la contrainte de rupture dans les céramiques est bien inférieure à la contrainte nécessaire pour nucléer des luxations à de telles températures."
Zhang a déclaré :« En revanche, les matériaux métalliques sont ductiles car ils nucléent facilement une très haute densité de dislocations. Et les dislocations sont mobiles dans les métaux à température ambiante, améliorant considérablement leur ductilité. Ainsi, la manière d'améliorer la plasticité des céramiques est de nucléer des dislocations abondantes. en céramique avant de commencer à les déformer."
Wang a déclaré que des efforts considérables ont été déployés pour améliorer la déformabilité de la céramique, mais avec un succès limité.
L'équipe Purdue a introduit des dislocations dans des matériaux céramiques en les préchargeant lors d'une déformation à haute température. Chao Shen, un étudiant diplômé de l'équipe, a déclaré qu'une fois les échantillons de céramique refroidis, les dislocations améliorent la plasticité de la céramique à température ambiante.
"Cette méthode est plus largement applicable à une large gamme de céramiques que la méthode de frittage flash, car tous les matériaux céramiques ne peuvent pas être traités par frittage flash", a déclaré Wang. "Les dislocations de préchargement peuvent également être beaucoup plus faciles à mettre à l'échelle dans la pratique pour le traitement et le traitement à grande échelle des céramiques que le frittage flash."
La technique a été testée et validée dans leur laboratoire sur différents systèmes céramiques et piliers céramiques de différentes dimensions.
"Après le traitement de précharge, le dioxyde de titane monocristallin a présenté une augmentation substantielle de la déformabilité, atteignant une déformation de 10 % à température ambiante", a déclaré Zhang. "L'oxyde d'aluminium a également montré une déformabilité plastique, une déformation de 6 % à 7,5 %, en utilisant la technique de précharge."
L'équipe de recherche, composée de Wang, Zhang et R. Edwin Garcia, professeur de génie des matériaux, et de leurs étudiants diplômés, collaborera avec l'industrie sur des démonstrations à grande échelle de cette approche dans divers systèmes céramiques.
Wang et Zhang ont divulgué l'innovation au Bureau de commercialisation de la technologie Purdue Innovates, qui a déposé une demande de brevet auprès du Bureau américain des brevets et des marques pour protéger la propriété intellectuelle.
Plus d'informations : Chao Shen et al, Atteindre la plasticité à température ambiante dans les céramiques fragiles grâce à un préchargement à température élevée, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adj4079
Informations sur le journal : Communications naturelles , Progrès scientifiques
Fourni par l'Université Purdue
