Para peneliti dari Purdue University telah mengamati bahwa sifat keramik yang rapuh dapat diatasi karena mereka menopang beban berat, yang mengarah ke struktur yang lebih tangguh seperti pelapis baling-baling pesawat terbang dan implan gigi.
Selain secara inheren kuat, sebagian besar keramik tiba-tiba cenderung retak ketika hanya sedikit di bawah tekanan beban terkecuali terkena suhu tinggi. Komponen struktural keramik juga memerlukan suhu tinggi untuk terbentuk di tempat pertama melalui proses panjang yang disebut sintering, di mana berbagai bahan bubuk bergabung menjadi massa padat.
Kenyataan ini sangat bermasalah untuk keramik pelapis logam pisau mesin yang dimaksudkan untuk melindungi inti logam dari berbagai suhu selama operasional.
Sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature Communications menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa penerapan medan listrik untuk pembentukan yttria-stabilized zirconia (YSZ), sebuah keramik penghalang termal yang khas, membuat bahan hampir menyerupai plastik, atau mudah dibentuk kembali, sebagaimana logam pada suhu kamar.
Para insinyur juga bisa melihat keretakan lebih cepat karena mereka mulai terbentuk secara perlahan pada suhu sedang dibandingkan dengan suhu yang lebih tinggi, sehingga dapat memberikan mereka waktu untuk menyelamatkan struktur.
“Di masa lalu, ketika kami menerapkan beban tinggi pada suhu yang lebih rendah, sejumlah besar keramik akan gagal secara katastropik tanpa peringatan,” kata Xinghang Zhang , profesor teknik material. “Sekarang kita bisa melihat keretakan yang muncul, tetapi materinya tetap bersama; ini adalah kegagalan yang dapat diprediksi dan jauh lebih aman untuk penggunaan keramik.”
Pengujian kompresi in-situ mengungkapkan bahwa keramik hampir sama lenturnya dengan logam pada suhu kamar dan suhu yang semakin tinggi. (Gambar Universitas Purdue / Vincent Walter)
Studi terbaru menunjukkan bahwa penerapan medan listrik, atau “kilat,” secara signifikan mempercepat proses sintering yang membentuk YSZ dan keramik lainnya, dan pada suhu tungku yang jauh lebih rendah daripada sintering konvensional. Keramik yang disinter kilat juga memiliki porositas yang sangat sedikit, yang membuatnya lebih padat dan karenanya lebih mudah rusak. Belum ada yang menguji kemampuan keramik yang disinter kilat untuk mengubah bentuk pada suhu kamar atau suhu yang semakin tinggi.
“YSZ adalah lapisan penghalang termal yang sangat khas – pada dasarnya ini melindungi inti logam dari panas,” kata Haiyan Wang, Purdue Basil S. Turner Profesor Teknik. “Tapi itu cenderung menimbulkan keretakan saat mesin memanas dan mendingin karena tegangan sisa.”
Apa yang memungkinkan logam menjadi tahan-retak dan mudah untuk berubah bentuk adalah adanya “cacat,” atau dislokasi – bidang tambahan atom yang mengacak selama deformasi untuk membuat bahan sedikit berubah bentuk daripada rusak akibat beban.
“Dislokasi ini akan bergerak di bawah kompresi atau ketegangan, sehingga materi tidak rusak,” kata Jaehun Cho, asisten peneliti pascasarjana dalam teknik material.
Menerapkan medan listrik ke keramik selama pembentukannya memberi mereka karakteristik seperti logam yang dibutuhkan untuk mempertahankan beban berat tanpa kerusakan mendadak. (Gambar Universitas Purdue / Jaehun Cho)
Keramik biasanya tidak membentuk dislokasi kecuali mengalami deformasi pada suhu yang sangat tinggi. Sintering-kilat mereka, bagaimanapun, menanamkan dislokasi ini dan menciptakan ukuran butir yang lebih kecil pada material yang dihasilkan.
“Butiran-butiran yang lebih kecil, seperti butiran nanocrystalline, mungkin menyelip saat bahan keramik berubah bentuk, membantu untuk merubah bentuk lebih baik,” kata Wang.
Dislokasi yang sudah ada sebelumnya dan ukuran butiran yang lebih kecil memungkinkan sampel YSZ yang disinter lebih tipis daripada rambut manusia untuk menumbuhkan lebih banyak plastis [bersifat mudah dibentuk] di antara suhu kamar dan 600 derajat Celcius ketika dikompresi, dengan retakan mulai perlahan menyebar pada 400 derajat dibandingkan dengan YSZ yang disinter konvensional yang membutuhkan 800 derajat dan lebih tinggi untuk berubah bentuk secara plastis.
Plastisitas yang meningkat berarti lebih stabil selama operasi pada suhu yang relatif rendah. Sampel juga bisa menahan tekanan kompresi hampir sama seperti beberapa logam lakukan sebelum retak mulai muncul.
“Logam dapat dikompresi menjadi 10 atau 20 persen regangan, tidak menjadi masalah, tetapi keramik sering retak menjadi potongan-potongan jika Anda memampatkannya menjadi kurang dari 2-3 persen regangan,” kata Zhang. “Kami menunjukkan bahwa keramik yang disinter kilat dapat dikompres menjadi 7-10 persen tanpa fraktur katastrofik.”
Bahkan ketika sampel mulai retak, retakan terbentuk sangat lambat dan tidak mengakibatkan keruntuhan total seperti yang biasanya terjadi dengan keramik konvensional. Langkah selanjutnya adalah menggunakan prinsip-prinsip ini untuk mendesain material keramik yang lebih tahan banting.
Para peneliti tidak akan mampu melakukan eksperimen in-situ dari sampel keramik berukuran mikron tanpa alat uji nanomechanical in-situ di dalam mikroskop elektron scanning resolusi tinggi yang dilengkapi dengan alat balok besi terfokus di Pusat Mikroskop Sains Kehidupan Purdue dan fasilitas mikroskop elektron FEI Talos 200X di fasilitas Material Engineering Purdue. Kedua mikroskop disediakan oleh Kantor Purdue dari Wakil Presiden Eksekutif untuk Penelitian dan Kemitraan dan Kolese Teknik dan Sains. Purdue mengharapkan mikroskop dengan koreksi perbedaan beresolusi lebih tinggi yang akan segera digunakan peneliti untuk penelitian nanomaterial di masa depan.
