Изготовление пластичной керамики - непростая задача. Пластичность в керамике наблюдается редко и обычно требует особых условий, таких как экстремальные температуры, чтобы быть правдоподобной. Таким образом, вместо вмятин ваша керамическая кофейная кружка разобьется на куски при падении на твердый пол.

В своей статье доктор Эркка Дж. Франкберг, финский эксперт по пластичности керамики, комментирует некоторые из последних результатов, касающихся пластичности керамики при комнатной температуре, о которых сообщили Дж. Чжан и др. в науке 378, 371 (2022). В своем комментарии Франкберг рисует более широкий взгляд на потенциальные выгоды, если такая пластичная керамика станет возможной и масштабируется для коммерческого использования, возможно, открывая новый каменный век.

Почему было бы важно обнаружить керамику, которая является пластичной при комнатной температуре? Это происходит из-за самих атомов и связи между ними. Керамика имеет ионные и ковалентные связи между атомами, которые значительно отличаются, например, от связей в металлических сплавах. Одно из основных отличий заключается в том, что ионные и ковалентные атомные связи являются одними из самых прочных, которые мы знаем. В результате, теоретически, керамика должна быть одним из самых прочных инженерных материалов, которые существуют.

"Загвоздка в следующем: хотя связи прочны, они также препятствуют легкому перемещению атомов в материале, и это движение необходимо для создания пластичности, или, другими словами, постоянного изменения воспринимаемой формы материала. К сожалению, без пластичности керамика разрушается значительно ниже своей теоретической прочности и на практике часто имеет более низкую предельную прочность, чем многие металлические сплавы, обычно используемые в машиностроении", - говорит Франкберг.

В качестве демонстрации потенциала пластичной керамики Чжан и др. покажите, что если нитрид кремния (Si₃N₄), керамический материал, спроектирован таким образом, чтобы проявлять пластичность, он может демонстрировать колоссальную предельную прочность ~ 11 ГПа до разрушения. Это примерно в 10 раз прочнее, чем некоторые обычные марки высокопрочной стали!

Что может дать нам сверхпрочная пластичная керамика?

"Более высокая прочность означает меньшее количество материала, необходимого для создания движущихся машин, таких как транспортные средства и роботы. Меньшее количество материала означает меньшую инерцию, что означает меньшее потребление энергии и более высокую эффективность для всего движущегося оборудования. Более высокая износостойкость и коррозионная стойкость керамики позволили бы увеличить время безотказной работы в этих областях применения, что дает экономические выгоды", - отмечает Франкберг.

Человечество испытывает постоянную потребность во все более прочных инженерных материалах из-за большого сквозного воздействия, которое это окажет на повышение энергоэффективности общества.

"Из-за более мягкого сцепления существует жесткий предел прочности материалов, которые мы можем создавать из металлов. Чтобы достичь следующего уровня прочности, керамика является хорошим кандидатом", - утверждает он.

В то время как результаты Zhang et al. являются впечатляющей демонстрацией потенциала пластичной керамики, результаты демонстрируются на наноуровне, как и большинство аналогичных результатов в этой области. Таким образом, впереди еще долгий и извилистый путь к реализации мечты о гибкой керамике, которая, по сути, нуждается в том, чтобы эти результаты были повторены в более объемном материале.

"Но каждое открытие нового механизма пластичности при комнатной температуре, такого как представленный Чжаном и др., заставляет нас держаться за мечту о гибкой керамике", - резюмирует Эркка Дж. Франкберг.