Como lidar com a fragilidade dos materiais cerâmicos?

Como todos sabemos, os materiais cerâmicos têm um defeito comum fatal, que é a fragilidade. A fragilidade dos materiais cerâmicos é determinada pela ligação química e sua microestrutura e é a característica inerente dos materiais cerâmicos. Nos parágrafos a seguir, discutiremos a fragilidade dos materiais cerâmicos e as formas de aprimorá-los.

Por que as cerâmicas são frágeis?

Os materiais cerâmicos são estruturas policristalinas compostas de ligações iônicas ou covalentes, portanto, não possuem sistemas de deslizamento que possam deformar os materiais. No processo de preparação, é inevitável deixar microdefeitos na superfície do material, que podem dar origem a rachaduras. Quando o material for submetido a uma carga externa, a tensão se concentrará na ponta dessas rachaduras. Em materiais cerâmicos, se não houver outro sistema que possa consumir energia externa, somente a nova energia livre poderá ser trocada. A chamada nova energia livre é a energia absorvida pela nova superfície formada pela propagação da ponta da trinca, o que resulta na rápida propagação da trinca e na chamada fratura frágil.

Como melhorar a fragilidade da cerâmica?

A fragilidade dos materiais cerâmicos afeta em grande parte a confiabilidade e a consistência das propriedades do material. Portanto, o principal trabalho de muitos pesquisadores de cerâmica é estudar a fragilidade dos materiais cerâmicos e propor formas eficazes de melhorá-la. A seguir, faremos uma comparação simples de dados para você.

1. O estabelecimento de um sistema de interface fraca em materiais cerâmicos

Como não há nenhum mecanismo em materiais cerâmicos que possa absorver energia externa, é possível criar artificialmente algumas estruturas de interface fraca em materiais cerâmicos para que a propagação de rachaduras possa absorver energia externa por meio de sua dissociação sem danificar todo o material? Após muitos anos de prática, há muitas soluções viáveis.

* Compósitos de matriz cerâmica reforçados com D

A fibra (ou whisker) é adicionada à matriz cerâmica de uma determinada maneira. Por um lado, a fibra de alta resistência (whisker) pode compartilhar a carga adicional; por outro lado, a interface fraca entre a fibra (ou whisker) e a matriz cerâmica pode ser usada para criar o sistema de absorção de energia externa, de modo a melhorar a fragilidade dos materiais cerâmicos.

Por exemplo, os compostos de matriz cerâmica podem ser aplicados ao Leap, componentes CMC introduzidos no revestimento da carcaça da turbina do motor. O motor aprimorado requer muito menos ar de resfriamento do que as superligas à base de níquel e tem uma gravidade específica menor, economizando cerca de 15% do combustível usado nos motores anteriores.

* Materiais cerâmicos compostos

Se dois tipos de materiais diferentes forem colocados juntos, a tensão deve ser gerada entre os dois materiais devido aos seus diferentes coeficientes de expansão térmica e módulo de elasticidade, e a tensão na interface de grãos é a principal causa da interface fraca. Muitos estudos demonstraram que, se grãos de tamanho nanométrico de uma substância existirem em grãos de tamanho micrométrico de outra substância, o que é conhecido como recombinação intracristalina nanométrica, a resistência e a tenacidade são surpreendentemente melhoradas.

Por exemplo, estudos demonstraram que a adição de nanocarbeto de silício (5%) e óxido de zircônio quádruplo (15%) à matriz de alumina pode atingir uma resistência de 1.200 MPa (a resistência dos materiais cerâmicos de alumina comuns é de apenas cerca de 300Ma).

* Material cerâmico auto-endurecedor

Como mencionado acima, fibras ou whiskers são adicionados à matriz de cerâmica para fortalecer e endurecer. No entanto, é difícil obter uma distribuição uniforme da fibra ou do bigode na matriz de cerâmica granular com uma grande proporção, o que resulta na dispersão das propriedades do composto. Portanto, as pessoas presumem que, se for possível formar uma forma com uma determinada proporção de aspecto na matriz de cerâmica, será possível obter o mesmo efeito que reforçar a cerâmica com fibra ou bigode.

Portanto, uma parte do corpo cerâmico pode gerar uma determinada relação de aspecto por si só por meio de um processamento especial. Por exemplo, uma pequena quantidade de fase líquida no processo de sinterização da cerâmica de alumina pode induzir o crescimento anisotrópico dos grãos de alumina, enquanto a resistência e a tenacidade dos materiais cerâmicos de alumina podem ser bastante aprimoradas com a formação de um grande número de cristais em forma de bastão com uma grande proporção de aspecto na matriz de alumina.

* Materiais compostos laminados

A ideia do material composto laminado é apresentada a partir da microestrutura da concha na natureza, ou seja, dois materiais de componentes diferentes são empilhados em um sanduíche para formar um composto laminado multicamada com interfaces paralelas. A estrutura do material do projeto da amostra tem muitas interfaces fracas perpendiculares à direção da tensão. Essas interfaces fracas são o principal motivo da distorção do caminho principal de propagação da trinca e também o fator importante para o aprimoramento da resistência do material. Ao mesmo tempo, devido aos diferentes materiais em ambos os lados da camada, a tensão residual deve ser gerada devido à diferença no módulo de elasticidade e no coeficiente de expansão térmica entre eles, e essa tensão residual dentro de um determinado limite é a principal razão para o reforço e o endurecimento.

2. Material cerâmico temperado de zircônia

Desde que a ideia do aço cerâmico foi apresentada, a pesquisa sobre materiais cerâmicos endurecidos com zircônia vem crescendo. Os compostos de zircônia têm três tipos de cristal: cúbico em alta temperatura, tetragonal em temperatura média e monoclínico em temperatura normal. Entretanto, a zircônia tetragonal do tipo mesotérmico pode ser mantida estável em temperatura ambiente sob a inibição de estresse externo. Quando o material é submetido à força externa, a zircônia tetrafásica mesoestável restrita passa por uma transição de fase. No processo de transição de fase, certa energia será absorvida, o que, sem dúvida, desempenha um papel no consumo de energia externa. Ao mesmo tempo, ocorrerá uma mudança de volume de 3% a 5% no processo de transformação de fase. Como resultado, pequenas rachaduras serão geradas ao redor da ponta da rachadura, o que é uma manifestação do aumento da resistência do material.

Portanto, a transição de fase da zircônia promoverá o aumento da resistência e da tenacidade do material. Essa característica da zircônia faz dela um aditivo muito eficaz para o fortalecimento e a resistência de materiais cerâmicos, formando assim uma série de cerâmicas de resistência de zircônia. O policristal de zircônia tetragonal (TZP) é um dos mais importantes materiais cerâmicos endurecidos com zircônia, considerado como tendo as melhores propriedades mecânicas em temperatura ambiente.

3. Material com graduação funcional

No processo de revestimento cerâmico, a mudança de gradiente da composição do revestimento é frequentemente necessária para obter o revestimento cerâmico com bom desempenho e alta resistência de união, a fim de obter um revestimento mais espesso ou devido à grande diferença nas propriedades térmicas e mecânicas entre a matriz metálica e o revestimento cerâmico.

4. Material nanocerâmico

Do ponto de vista da microestrutura, há uma relação direta entre o tamanho do grão e as propriedades do material. Quando o tamanho do grão do material cerâmico atinge o nível nano, o desempenho do material cerâmico será obviamente excelente. Por exemplo, as cerâmicas de zircônia parcialmente estabilizadas são feitas de pós de solução sólida de 3% (mol) de óxido de ítrio e zircônia por meio de sinterização atmosférica, na qual o óxido de gadolínio é disperso na zircônia em cristais finos com um diâmetro médio de 0,3 μm. Quando aquecida acima de 1200 ℃, a cerâmica de zircônia pode se alongar sob uma determinada taxa de alongamento de 12%.