Новая китайская керамика действительно может гнуться, как металл

Oct 04, 2023

НисериН/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Китайские исследователи создали первое в мире керамическое вещество, которое может изгибаться, как металл. Эта разработка, если она верна, может улучшить искусственные суставы и производительность двигателя.

До этого открытия считалось, что гибкость и прочность керамики противоположны друг другу и что одна из них будет ухудшаться, если другая улучшится.

Чэнь Кэсинь, ученый-материаловед, руководивший исследованием, говорит, что новый материал — это первый раз, когда ученые сделали его одновременно прочнее и легче. Он обладает твердостью керамики и гибкостью металла.

«Эта керамика может совершить технологическую революцию во многих отраслях», — сказал Чен, профессор кафедры инженерии и материаловедения Национального фонда естественных наук Китая.

27 октября Чен и его коллеги из Университета Цинхуа опубликовали свои выводы в журнале Science. В авторской статье в том же выпуске журнала Science Эркка Франкберг из Университета Тампере в Финляндии заявил, что это открытие «может привести к созданию материалов, которые легче и прочнее, чем даже лучшие металлические сплавы сегодняшнего дня».

Бараноздемир/iStock

«Исследования пластичности керамики проводятся по всему миру с тех пор, как я начал свою карьеру 30 лет назад. Можно сказать, что сегодня мы наконец добились прорыва в этой теме», — сказал Чен.

Ученые создали наностолбики с двумя разными кристаллическими образованиями, используя нитрид кремния. Когда на одну кристаллическую структуру воздействует внешняя сила, она может измениться на другой тип. Это позволяет материалу сгибаться, прежде чем вернуться к своей первоначальной форме.

Вещество может оказаться особенно полезным для создания авиационных двигателей. Керамические материалы прочные, легкие и термостойкие. Гибкие керамические двигатели могут работать при значительно более высоких температурах и с гораздо большей топливной экономичностью, чем обычные двигатели из сплавов.

Керамический двигатель мог бы двигаться намного быстрее, чем двигатель из сплава, потому что он был бы намного легче. Нагрузка на другие компоненты снижается за счет облегчения двигателя.

Вещество также можно применять для автомобильных двигателей. Керамический двигатель может иметь меньший бак для охлаждающей жидкости из-за превосходной термостойкости керамических материалов по сравнению со сплавами. Более высокие температуры сгорания керамического двигателя могут обеспечить большую тягу и меньшее загрязнение окружающей среды.

Керамика из нитрида кремния может заменить металл при замене суставов, поскольку она биосовместима, легка и устойчива к бактериям. Большинство протезов суставов из металла приходится заменять каждые десять лет, что дорого и болезненно.

«Искусственные суставы, изготовленные из керамики, могут прослужить всю жизнь после имплантации», — объяснил Чен.

Чен также сказал, что этот материал можно использовать для изготовления подшипников — важной части ветряных турбин, соединяющих генератор с лопастями вентилятора. На общий срок службы системы влияет долговечность каждого подшипника, который во время эксплуатации должен выдерживать давление в несколько тонн.

«Наша гибкая керамика из нитрида кремния может быть использована для изготовления подшипников, которые будут служить дольше, что в среднем снизит стоимость энергии ветра», — объясняет Чен.

«На основе наших экспериментов можно производить этот гибкий керамический материал в больших масштабах. В сфере высококачественного оборудования существует очевидное ценовое преимущество», — добавил он.

Он привел в пример дорогие редкоземельные минералы, используемые для изготовления монокристаллических турбинных лопаток, используемых в реактивных двигателях. При этом самый дорогой нитрид кремния продается примерно за 200 долларов за килограмм.

«Мы продолжим совершенствовать этот керамический материал на основе нашей текущей работы. Как только вы откроете дверь, за вами откроется огромный мир», — сказал Чен.

Вы можете просмотреть исследование самостоятельно в журнале Science.

Аннотация исследования:

«Ковалентно связанная керамика обладает выдающимися свойствами, включая твердость, прочность, химическую инертность и устойчивость к нагреву и коррозии, однако ее более широкое применение затруднено из-за ее хрупкости при комнатной температуре. В отличие от атомов в металлах, которые могут скользить по плоскостям скольжения Чтобы приспособиться к напряжениям, атомам в керамике с ковалентной связью требуется разрыв связи из-за сильных и направленных характеристик ковалентных связей. Это в конечном итоге приводит к катастрофическому разрушению при нагрузке. Мы представляем подход к созданию деформируемой керамики из ковалентно связанного нитрида кремния (Si3N4), которая имеет характеристики двухфазная структура с когерентными границами раздела. Последовательное переключение связей реализуется на когерентных границах раздела, что облегчает фазовое превращение, вызванное напряжением, и, в конечном итоге, приводит к пластической деформируемости».