Los investigadores de Purdue han observado una forma en que se puede superar la naturaleza frágil de las cerámicas cuando soportan cargas pesadas. lo que lleva a estructuras más elásticas, como los revestimientos de las palas de los motores de los aviones y los implantes dentales.

Si bien es inherentemente fuerte, la mayoría de las cerámicas tienden a fracturarse repentinamente cuando se someten a una ligera tensión bajo una carga, a menos que se expongan a altas temperaturas. Los componentes cerámicos estructurales también requieren altas temperaturas para formarse en primer lugar a través de un largo proceso llamado sinterización. en el que un material en polvo se fusiona en una masa sólida.

Estos problemas son particularmente problemáticos para los recubrimientos cerámicos de palas de motores de metal destinados a proteger los núcleos de metal de una variedad de temperaturas operativas. Un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza demuestra por primera vez que la aplicación de un campo eléctrico a la formación de zirconia estabilizada con itria (YSZ), una cerámica de barrera térmica típica, hace que el material sea casi tan plástico, o fácilmente remodelado, como metal a temperatura ambiente. Los ingenieros también podrían ver las grietas antes, ya que comienzan a formarse lentamente a una temperatura moderada en lugar de a temperaturas más altas. dándoles tiempo para rescatar una estructura.

"En el pasado, cuando aplicamos una carga alta a temperaturas más bajas, una gran cantidad de cerámicas fallarían catastróficamente sin previo aviso, "dijo Xinghang Zhang, profesor de ingeniería de materiales. "Ahora podemos ver las grietas venir, pero el material permanece unido; esta es una falla predecible y mucho más segura para el uso de cerámica ".

Estudios recientes han demostrado que la aplicación de un campo eléctrico, o "flash, "acelera significativamente el proceso de sinterización que forma YSZ y otras cerámicas, ya temperaturas de horno mucho más bajas que la sinterización convencional. Las cerámicas flash-sinterizadas también tienen muy poca porosidad, lo que los hace más densos y, por tanto, más fáciles de deformar. Ninguno ha probado todavía la capacidad de las cerámicas sinterizadas instantáneamente para cambiar de forma a temperatura ambiente o temperaturas cada vez más altas.

"YSZ es un revestimiento de barrera térmica muy típico; básicamente protege un núcleo de metal del calor, "dijo Haiyan Wang, Profesor de Ingeniería Basil S. Turner de Purdue. "Pero tiende a sufrir muchas fracturas cuando un motor se calienta y se enfría debido a tensiones residuales".

Lo que permite que los metales sean resistentes a las fracturas y fáciles de cambiar de forma es la presencia de "defectos, "o dislocaciones:planos adicionales de átomos que se mueven durante la deformación para hacer que un material simplemente se deforme en lugar de romperse bajo una carga.

"Estas dislocaciones se moverán bajo compresión o tensión, para que el material no falle, "dijo Jaehun Cho, asistente de investigación graduado en ingeniería de materiales.

Las cerámicas normalmente no forman dislocaciones a menos que se deformen a temperaturas muy altas. Flash-sinterándolos, sin embargo, introduce estas dislocaciones y crea un tamaño de grano más pequeño en el material resultante.

"Granos más pequeños, como los granos nanocristalinos, puede deslizarse a medida que el material cerámico se deforma, ayudándolo a deformarse mejor, "Dijo Wang.

Las dislocaciones preexistentes y los tamaños de grano pequeños permitieron que una muestra YSZ sinterizada por flash más delgada que el cabello humano creciera cada vez más plástica entre la temperatura ambiente y los 600 grados Celsius cuando se comprime. con grietas que comienzan a extenderse lentamente a 400 grados a diferencia del YSZ sinterizado convencionalmente que requiere 800 grados y más para deformarse plásticamente.

La plasticidad mejorada significa más estabilidad durante el funcionamiento a temperaturas relativamente bajas. La muestra también podría soportar casi tanta deformación por compresión como lo hacen algunos metales antes de que comenzaran a aparecer grietas.

"Los metales se pueden comprimir a un 10 o 20 por ciento de tensión, No hay problema, pero las cerámicas a menudo se fracturan en pedazos si las comprime a menos del 2-3 por ciento de tensión, ", Dijo Zhang." Demostramos que la cerámica sinterizada por flash se puede comprimir al 7-10 por ciento sin una fractura catastrófica ".

Incluso cuando la muestra comenzó a agrietarse, las grietas se formaron muy lentamente y no resultaron en un colapso completo como sucedería típicamente con la cerámica convencional. Los próximos pasos serían utilizar estos principios para diseñar materiales cerámicos aún más resistentes.

Los investigadores no hubieran podido realizar experimentos in situ de una muestra de cerámica del tamaño de una micra sin una herramienta de prueba nanomecánica in situ dentro de un microscopio electrónico de barrido de alta resolución equipado con una herramienta de haz de hierro enfocado en el Centro de Microscopía de Ciencias de la Vida de Purdue y una instalación de microscopio electrónico FEI Talos 200X en la instalación de Ingeniería de Materiales de Purdue. Ambos microscopios fueron proporcionados por la Oficina del Vicepresidente Ejecutivo de Investigación y Asociaciones de Purdue y las Facultades de Ingeniería y Ciencias. Purdue espera un microscopio con corrección de aberraciones de resolución aún mayor que los investigadores pronto utilizarán para futuras investigaciones sobre nanomateriales.