Journal of the American Ceramic Society

Việc áp dụng các kỹ thuật ấn đè vào việc đánh giá độ gãy được xem xét một cách phê phán, chia thành hai phần. Trong phần đầu tiên này, chú ý tập trung vào một phương pháp liên quan đến việc đo đạc trực tiếp các nứt hình quang học Vickers được sinh ra như một hàm của lực ấn. Một cơ sở lý thuyết cho phương pháp này được thiết lập trước tiên, dưới góc độ cơ học gãy ấn đè đàn hồi/plastic. Do đó, khẳng định rằng chìa khóa để phản ứng nứt hình quang nằm ở thành phần tồn dư của trường tiếp xúc. Thuật ngữ tồn dư này có những ý nghĩa quan trọng về sự phát triển của nứt, bao gồm khả năng mọc chậm sau ấn dưới các điều kiện nhạy cảm với môi trường. Các quan sát đặc trưng của nứt trong các vật liệu "tham chiếu" được lựa chọn được sử dụng để xác định độ lớn của hiệu ứng này và để điều tra thêm các rối loạn tiềm tàng khác liên quan đến sự khác biệt với hành vi gãy ấn lý tưởng. Các dữ liệu từ các quan sát này cung cấp một cách hiệu quả để hiệu chỉnh các phương trình độ gãy ấn cho ứng dụng chung vào các gốm sứ có hành vi tốt khác. Kỹ thuật này đơn giản độc đáo trong quy trình và tiết kiệm trong việc sử dụng vật liệu.

Gốm sứ được sử dụng để sửa chữa và tái tạo các phần bị bệnh hoặc hư hại của hệ thống cơ xương khớp, được gọi là bioceramics, có thể là bioinert (nhôm oxit, zirconia), có khả năng hấp thụ (photphat ba canxi), bioactive (hydroxyapatite, thủy tinh hoạt tính, và gốm thủy tinh), hoặc xốp để thúc đẩy sự phát triển của mô (kim loại được phủ hydroxyapatite, nhôm oxit). Các ứng dụng bao gồm thay thế cho hông, đầu gối, răng, gân, và dây chằng, cũng như sửa chữa cho bệnh nha chu, tái tạo hàm mặt, gia tăng và ổn định xương hàm, hợp nhất cột sống, và các chất độn xương sau phẫu thuật khối u. Các lớp phủ carbon có khả năng kháng đông và được sử dụng cho van tim giả. Cơ chế liên kết mô với gốm bioactive đang dần được hiểu, có thể dẫn đến thiết kế phân tử của bioceramics cho việc liên kết bề mặt với mô cứng và mềm. Các hợp chất đang được phát triển với độ dẻo dai cao và mô đun đàn hồi tương tự như xương. Điều trị ung thư đã được thực hiện bằng việc cung cấp isotop phóng xạ tại chỗ thông qua hạt thủy tinh. Việc phát triển các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để dự đoán độ tin cậy cơ học lâu dài (20 năm) dưới tải trọng vẫn còn cần thiết.

Pin nhiên liệu gốm là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hoàn toàn ở trạng thái rắn, sản xuất điện năng thông qua việc kết hợp điện hoá các khí nhiên liệu và khí oxy ở một oxit dẫn ion. Hiện tại, các pin nhiên liệu gốm sử dụng một vật dẫn ion oxy hoặc một vật dẫn proton làm chất điện phân và hoạt động ở nhiệt độ cao (>600°C). Các pin nhiên liệu gốm, thường được gọi là pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), hiện đang được phát triển cho nhiều ứng dụng phát điện khác nhau. Bài báo này xem xét khoa học và công nghệ của pin nhiên liệu gốm và thảo luận về các vấn đề quan trọng liên quan đến sự phát triển của loại pin nhiên liệu này. Sự nhấn mạnh được đặt vào việc thảo luận về các vật liệu thành phần (đặc biệt, chất điện phân ZrO₂, điện cực anode nickel/ZrO₂ cermet, điện cực cathode LaMnO₃, và kết nối LaCrO₃), các phản ứng khí tại các điện cực, thiết kế cụm pin và các kỹ thuật chế biến được sử dụng trong việc chế tạo các cấu trúc gốm cần thiết.

Gốm ferroelectric ra đời vào đầu những năm 1940 với sự phát hiện hiện tượng ferroelectricity là nguồn gốc của độ điện môi cao bất thường trong các tụ điện barium titanate. Kể từ đó, chúng đã trở thành trái tim và linh hồn của nhiều ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la, từ các tụ điện có độ điện môi cao đến những phát triển sau này trong các bộ chuyển đổi piezoelectric, các thiết bị với hệ số nhiệt độ dương, và các van quang điện. Các vật liệu dựa trên hai hệ thống thành phần, barium titanate và lead zirconate titanate, đã thống trị lĩnh vực này trong suốt lịch sử của chúng. Những phát triển gần đây trong lĩnh vực gốm ferroelectric, như các hợp chất siêu âm y tế, các bộ truyền động piezoelectric có sự dịch chuyển cao (Moonies, RAINBOWS), photostrictors, và các màng mỏng và dày cho các ứng dụng piezoelectric và mạch tích hợp đã giúp giữ cho ngành công nghiệp luôn trẻ trung giữa sự trưởng thành ngày càng tăng của nó. Các công thức gốm khác nhau, dạng của chúng (khối, màng), quá trình chế tạo, chức năng (tính chất) và tương lai được mô tả liên quan đến bản chất ferroelectric của chúng và các lĩnh vực ứng dụng cụ thể.

Trong 5 năm qua, một khối lượng lớn công trình nghiên cứu đã được công bố về phát triển các vật liệu piezoceramic không chứa chì, nhằm thay thế chì-zirconate-titanate (PZT) như là vật liệu chính cho các thiết bị điện cơ như bộ điều khiển, cảm biến và bộ biến đổi. Trong một số ứng dụng cụ thể nhưng hạn chế, các vật liệu mới có vẻ đáp ứng đủ yêu cầu, nhưng vẫn chưa được sử dụng để thay thế PZT một cách rộng rãi hơn. Trong bài viết này, chúng tôi trình bày các hướng dẫn chung cho việc phát triển các gốm piezoelectric không chứa chì. Các nguyên tố hóa học phù hợp được lựa chọn trước tiên dựa trên cơ sở về chi phí và độ độc hại cũng như khả năng phân cực ion. Các cấu trúc tinh thể khác nhau với các nguyên tố này sau đó được xem xét dựa trên các khái niệm đơn giản, và một loạt các biểu đồ pha được mô tả với các ranh giới pha morphotropic hấp dẫn, đem lại các thuộc tính piezoelectric tốt. Cuối cùng, các bài học từ lý thuyết hàm mật độ được xem xét và sử dụng để điều chỉnh sự hiểu biết của chúng tôi dựa trên các khái niệm đơn giản hơn. Được trang bị các hướng dẫn này từ nguyên tử đến biểu đồ pha, giai đoạn phát triển hiện tại trong các vật liệu piezoceramics không chứa chì được đánh giá một cách phê bình.

Gốm được sử dụng để sửa chữa và tái tạo các phần bị bệnh hoặc hư hỏng của hệ thống cơ xương, được gọi là sinh học gốm, có thể là không sinh học (ví dụ, alumina và zirconia), có thể hấp thụ (ví dụ, phosphate tricalcium), sinh học hoạt tính (ví dụ, hydroxyapatite, kính sinh học và gốm kính), hoặc có độ rỗng để mô có thể phát triển (ví dụ, các kim loại phủ hydroxyapatite). Các ứng dụng bao gồm thay thế cho khớp hông, khớp gối, răng, gân, dây chằng và sửa chữa bệnh nha chu, tái cấu trúc hàm mặt, tăng cường và ổn định xương hàm, nối cột sống và sửa chữa xương sau phẫu thuật u. Các lớp phủ carbon nhiệt phân là chống huyết khối và được sử dụng cho các van tim giả. Cơ chế liên kết mô với gốm sinh học hoạt tính đã dẫn đến thiết kế phân tử của sinh học gốm để liên kết bề mặt với mô cứng và mềm. Các composite sinh học hoạt tính đang được phát triển với độ bền cao và mô đun đàn hồi phù hợp với xương. Điều trị ung thư đã được thực hiện thông qua việc cung cấp định vị các đồng vị phóng xạ qua các viên kính. Thành công lâm sàng của sinh học gốm đã dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong chất lượng cuộc sống của hàng triệu người.

Một lý thuyết mô tả sự tiến triển của hệ thống vết nứt trung vị/radiu trong trường xa của các tiếp xúc với đầu chèn sắc nhọn được phát triển. Phân tích dựa trên một mô hình trong đó trường đàn hồi/persistent phức tạp bên dưới đầu chèn được phân giải thành các thành phần đàn hồi và còn lại. Thành phần đàn hồi, là thành phần có khả năng phục hồi, đóng vai trò thứ yếu trong quá trình gãy: mặc dù nó làm tăng sự kéo dài xuống dưới (trung vị) trong chu kỳ tải, nhưng nó lại ức chế sự kéo dài bề mặt (radiu) đến mức sự phát triển đáng kể tiếp tục xảy ra trong quá trình tháo tải. Thành phần còn lại do đó cung cấp lực chính cho hình dạng của vết nứt trong các giai đoạn cuối cùng của tiến trình, nơi vết nứt có xu hướng gần như hình dạng đồng xu. Trên giả thuyết rằng nguồn gốc của trường không thể phục hồi nằm trong việc thích ứng với ấn tượng độ cứng plastic mở rộng của ma trận đàn hồi xung quanh, các mối quan hệ cơ học gãy theo phương pháp cân bằng sự phát triển vết nứt được tìm thấy liên quan đến tỷ lệ độ cứng và mô đun cũng như độ dẻo dai. Quan sát sự tiến hóa của vết nứt trong kính soda-lime cung cấp một sự hiệu chuẩn thích hợp cho các hệ số ấn nén trong các quan hệ này. Các phương trình đã hiệu chuẩn sau đó được chứng minh có khả năng dự đoán các đặc tính tăng trưởng trung vị và радиu rất đa dạng được quan sát thấy trong các vật liệu gốm khác. Lý thuyết được chứng minh là có ảnh hưởng quan trọng đến các lĩnh vực thực tiễn quan trọng trong việc đánh giá gốm, bao gồm độ dẻo dai và sức mạnh.

Bài báo này xem xét hóa tinh thể, tổng hợp, độ dày, vi cấu trúc, tính chất cơ học và hành vi oxy hóa của các gốm dicalcogen zirconium (ZrB₂) và hafnium (HfB₂). Các dicalcogen chịu lửa thể hiện sự hòa tan rắn một phần hoặc hoàn toàn với các dicalcogen của kim loại chuyển tiếp khác, cho phép điều chỉnh thành phần của các tính chất như hệ số giãn nở nhiệt và độ cứng. Phương pháp giảm cacbon là con đường tổng hợp điển hình, nhưng các quá trình phản ứng, phương pháp dung dịch và polymer trước khi gốm cũng có thể được sử dụng. Thông thường, các dicalcogen được tăng cường độ bằng cách ép nóng, nhưng gần đây, các con đường tinh chế ở trạng thái rắn và pha lỏng đã được phát triển. Các gốm ZrB₂ và HfB₂ hạt mịn có cường độ vài trăm MPa, có thể tăng lên trên 1 GPa với việc thêm SiC. Các dicalcogen nguyên chất thể hiện động học oxy hóa parabol ở nhiệt độ dưới 1100°C, nhưng độ bay hơi của B₂O₃ dẫn đến động học oxy hóa nhanh, tuyến tính trên nhiệt độ đó. Việc thêm các tác nhân hình thành lớp silica như SiC hoặc MoSi₂ cải thiện hành vi oxy hóa trên 1100°C. Dựa trên sự kết hợp độc đáo của các tính chất, các gốm ZrB₂ và HfB₂ là ứng cử viên cho việc sử dụng trong các môi trường cực đoan liên quan đến bay siêu thanh, tái nhập khí quyển và động cơ tên lửa.