研究发现纳米结构陶瓷涂层不会疲劳

极薄的陶瓷涂层可以完全改变技术组件的特性。例如，涂层用于提高金属的耐热性或耐腐蚀性。涂层工艺对大型涡轮叶片以及生产技术中承受极大压力的工具起着重要作用。

TUWien(维也纳)现已研究决定此类涂层稳定性的因素。结果非常令人惊讶，其中一些是在汉堡的DESY同步加速器上获得的：陶瓷层的分解方式与金属完全不同。材料疲劳几乎没有作用;决定性因素是极端负载峰值的强度(所谓的应力强度因子)。这一发现将改变用于测量的方法，并在未来进一步提高薄膜的电阻。

该研究发表在ActaMaterialia上。

强调数百万次

“在许多应用中，周期性载荷是一个大问题，”维也纳工业大学材料科学与技术研究所应用表面和涂层技术研究小组负责人HelmutRiedl教授说。“如果你一次又一次地将金属部件暴露在一定的力下，就会在微观尺度上发生变化。”一些原子可能会移动，形成可以相互滑动的层，可能会产生微小的裂缝并最终导致整个组件的断裂。这种材料疲劳效应在工程中普遍存在，并且得到了充分研究。

然而，薄涂层在压力下会发生什么情况还不太清楚。“陶瓷涂层通常只有几纳米到10µm厚，它们的行为与固体陶瓷片完全不同，”正在应用表面和涂层技术研究小组撰写论文的LukasZauner说。

为了最深入地了解这种行为，维也纳工业大学开发了全新的测量方法：该团队没有像通常那样同时测试金属和陶瓷涂层，而是忽略了金属，生产了通常使用的各种陶瓷材料的极薄样品在薄膜技术中，并以精确定义的方式将它们暴露在各种负载下——一遍又一遍，多达一千万次。

同步加速器的X射线

为了准确查明陶瓷的原子结构是否因此发生变化，该团队将实验装置带到了汉堡：在那里，DESY的同步加速器提供了非常聚焦的X射线，可用于检查加载实验过程中样品的各个点。即使是晶体结构或相邻原子之间距离的微小变化也应该可以通过这种方式检测到。

但令人惊讶的是，这些测量结果表明：陶瓷几乎没有变化。即使数百万次负载循环也不会导致材料疲劳。“标准陶瓷会根据某些模式发生疲劳，类似于我们从金属中了解到的那种疲劳。但这些极薄的层不会表现出这种行为，”HelmutRiedl说。“它们的微观结构在最后和开始时是一样的。”

这意味着薄层的耐用性完全取决于它们的断裂韧性：如果超过材料的负载极限特性，则该层会突然且不可逆转地被破坏。但是，低于此限制的所有负载都不是问题，它们不会使陶瓷层老化，实际上没有任何影响。

新的研究策略

“当然，这也改变了设计新的、改进的陶瓷涂层材料研究项目的策略，”HelmutRiedl说。“你不必做冗长的长期测试，通过简单的负载测试就足以找出哪种材料在何种力下断裂。你不必担心如何减轻材料的疲劳效应，你只需要找到具有最高断裂韧性的材料——即使这本身也不是一项简单的任务。”

该团队已经找到了一个很好的候选者：某种形式的二硼化铬在测试中被证明具有惊人的抵抗力。这为未来有前途的研究取得最大成功铺平了道路。