Les matériaux céramiques résistants à la fissuration sont utilisés dans une variété d'industries, de l'ingénierie aérospatiale à la dentisterie. Les durcir pour améliorer leur efficacité et leur sécurité est donc un domaine d'investigation important. Des chercheurs de l'Université de Tsukuba ont utilisé la diffraction des rayons X à résolution temporelle pour observer le durcissement par transformation des céramiques de zircone lors d'une fracture dynamique. Leurs conclusions sont publiées dans Lettres de physique appliquée .

Les méthodes d'observation actuelles permettent d'observer in situ la formation de fissures dans les matériaux lors de l'application de charges. Ces analyses rapprochées peuvent capturer des changements à très petite échelle avec une résolution rapide, fournissant des images claires des fractures et de la façon dont le matériau y résiste grâce au durcissement.

Cependant, la trempe par transformation des matériaux céramiques est liée à des modifications de leur disposition au niveau atomique, qui ne peut pas être vu en utilisant les techniques disponibles. Obtenir une image en temps réel de telles transformations dans la structure cristalline est important pour obtenir une image complète de la façon dont les matériaux réagissent au chargement dynamique.

Les chercheurs ont donc utilisé la diffraction des rayons X résolue en temps pour suivre le comportement de polycristaux de zircone tétragonale stabilisés à l'yttria (Y-TZP) soumis à des charges de choc.

"L'Y-TZP est un matériau céramique largement utilisé avec une résistance et une ténacité élevées qui a de nombreuses applications. Il y a donc beaucoup d'efforts pour mieux le comprendre afin que nous puissions continuer à l'optimiser, " explique le professeur Atsushi Kyono. " Jusqu'à maintenant, nous n'avons pas eu une idée claire du moment où, dans le processus de fracture, les changements de structure cristalline ont lieu, notre compréhension du durcissement par transformation dans Y-TZP est donc un peu floue."

Sous des conditions normales, Y-TZP a une structure cristalline tétragonale. Cela n'a pas changé lorsque la charge a été appliquée. Cependant, quand la fracture dynamique a commencé, de petites quantités de la phase monoclinique ont été détectées. Cela indique que la rupture dynamique contribue au processus de trempe par transformation.

Les chercheurs ont montré que la trempe par transformation est liée à un processus connu sous le nom de fracture par éclats, qui donne un aperçu de l'origine de la résistance élevée à l'éclatement de la céramique de zircone.

« En plus de révéler certaines des causes sous-jacentes du comportement des céramiques en zircone, nous avons démontré la faisabilité de notre méthode d'analyse in situ des changements de structure cristalline, ", déclare le premier auteur de l'étude, Sota Takagi. "Nous pensons que nos découvertes contribueront au développement continu de céramiques résistantes pour un large éventail d'applications, des pièces isolantes électriques aux ustensiles de cuisine."