Bewertung der neuesten Erkenntnisse zur Plastizität bei Raumtemperatur in Keramik

Die Herstellung duktiler Keramiken ist eine schwierige Aufgabe. Plastizität in Keramik wird selten beobachtet und erfordert normalerweise spezielle Bedingungen wie extreme Temperaturen, um machbar zu sein. Anstatt zu verbeulen, zerbricht eine typische Kaffeetasse aus Keramik daher in Stücke, wenn sie auf einen harten Boden fällt.

In seinem Kommentar bewertet Dr. Erkka J. Frankberg, Experte für Plastizität von Keramik, einige der neuesten Erkenntnisse zur Plastizität von Keramik bei Raumtemperatur, berichtet von J. Zhang et al. in Wissenschaft. In seinem Kommentar zeichnet Frankberg einen breiteren Blick auf die potenziellen Vorteile solcher duktiler Keramiken, wenn sie für die kommerzielle Nutzung ermöglicht und skaliert werden könnten, was möglicherweise eine neue Steinzeit einleitet.

Warum wäre es wichtig, Keramiken zu entwickeln, die bei Raumtemperatur duktil sind? Es liegt an den Atomen selbst und der Bindung zwischen ihnen. Keramiken haben ionische und kovalente Bindungen zwischen den Atomen, die sich deutlich von (zum Beispiel) Bindungen in Metalllegierungen unterscheiden. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die ionischen und kovalenten Atombindungen zu den stärksten gehören, die wir kennen. Infolgedessen sollte Keramik theoretisch zu den stärksten technischen Materialien gehören, die es gibt.

„Der Haken ist: Die Bindungen sind zwar stark, verhindern aber auch, dass sich Atome leicht im Material bewegen, und diese Bewegung ist erforderlich, um Plastizität zu erzeugen, oder mit anderen Worten, eine dauerhafte Veränderung der wahrgenommenen Form des Materials. Ohne Leider brechen Keramiken aufgrund ihrer Plastizität weit unter ihrer theoretischen Festigkeit und haben in der Praxis oft eine geringere Endfestigkeit als viele Metalllegierungen, die üblicherweise im Maschinenbau verwendet werden“, sagt Frankberg.

Als Demonstration des Potenzials duktiler Keramiken haben Zhang et al. zeigen, dass, wenn Siliziumnitrid (Si3N4), ein keramisches Material, so konstruiert ist, dass es Plastizität aufweist, es vor dem Bruch eine enorme Endfestigkeit von ~11 GPa aufweisen kann. Dies ist etwa 10-mal stärker als einige gängige Sorten von hochfestem Stahl.

Was könnten uns ultrafeste duktile Keramiken geben?

„Höhere Festigkeit bedeutet, dass weniger Material benötigt wird, um bewegliche Maschinen wie Fahrzeuge und Roboter zu bauen. Weniger Material bedeutet geringere Trägheit, was einen geringeren Energieverbrauch und eine höhere Effizienz für alle beweglichen Maschinen bedeutet. Eine höhere Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Keramik würde eine längere Betriebszeit in diesen ermöglichen Anwendungen, was wirtschaftliche Vorteile ermöglicht“, betont Frankberg.

Die Menschheit hat einen ständigen Bedarf an immer stärkeren technischen Materialien, da sie große Querschnittswirkung haben und die Energieeffizienz der Gesellschaft verbessern würden.

„Aufgrund der weicheren Bindung gibt es eine harte Grenze dafür, wie starke Materialien wir aus Metallen herstellen können. Um die nächste Festigkeitsstufe zu erreichen, sind Keramiken ein guter Kandidat“, sagt Frankberg.

Während die Ergebnisse von Zhang et al. sind eine spektakuläre Demonstration des Potenzials duktiler Keramiken, die Ergebnisse werden im Nanomaßstab demonstriert, wie die meisten ähnlichen Ergebnisse auf diesem Gebiet. Daher ist es noch ein langer und kurvenreicher Weg, den Traum von flexibler Keramik zu verwirklichen, der im Wesentlichen erfordert, dass diese Ergebnisse in einem voluminöseren Material wiederholt werden.

„Aber jede Entdeckung eines neuen Plastizitätsmechanismus bei Raumtemperatur, wie der von Zhang et al. vorgestellte, lässt uns am Traum von flexiblen Keramiken festhalten“, schließt Frankberg.

Zur Verfügung gestellt von der Universität Tampere