电场辅助下氧化锆陶瓷的低温快速超塑性变形及机理研究

At conventional temperature and loading conditions, the large-strain plastic deformation of ceramics requires high temperature and low strain rate, This is because that ceramics usually have extremely low mass transportation rate, due to their ionic/covalent bond nature. Lack of large-strain plastic deformation capability has seriously limited the applications of plastic forming technology onto ceramics. In recent years, it has shown that extremely fast mass transport can occur in oxide ceramics at low temperatures when an electric field was applied onto the materials. Based on this phenomenon, we realized the high strain rate superplastic deformation of zirconia ceramics at low temperature by using electric field for the first time. However, the underlying mechanism of low temperature superplastic deformation of zirconia ceramics assisted by electric field is unknown. In this project, the plastic deformation behavior and structural evolution of zirconia ceramics will be systematically studied. The relationship between plastic deformation and microstructure will then be obtained. The mechanism underneath the superplasticity will be proposed. This project aims to solve the key scientific issues such as defect evolution and grain boundary slip mechanism of zirconia ceramics under critical electric field. It is innovative in the theory of ceramic plastic deformation and has important guiding significance for the realization of zirconia ceramics plastic processing.

在通常的温度场和力场作用下，陶瓷发生塑性变形需要超高的应变温度和极低的应变速率，这严重限制了陶瓷塑性加工技术的应用。传统条件下陶瓷塑性变形的主要约束在于物质传输速度慢，这主要源于陶瓷特有的晶体结构和化学键。近年来发现的临界电场下氧化物陶瓷低温极速传质现象有望突破陶瓷塑性加工的技术瓶颈。基于这一现象，申请人首次采用临界电场辅助的方法实现了氧化锆陶瓷的低温快速超塑性变形。然而，目前对电场辅助下氧化锆陶瓷的低温快速超塑性变形机理还缺乏研究。本项目将以高纯氧化锆陶瓷为研究对象，系统研究陶瓷的塑性变形行为及结构演变规律，获得塑性变形-显微结构的关系；系统研究陶瓷塑性变形过程中晶界滑移和位错运动，揭示电场辅助下氧化锆陶瓷的低温快速超塑性变形机理。本项目拟解决临界电场下氧化锆陶瓷晶内缺陷演变和晶界滑移机制等关键科学问题，在陶瓷塑性变形理论上有创新，对实现氧化锆陶瓷塑性加工具有重要指导意义。

该项目针对结构陶瓷发生塑性变形所需超高的应变温度和极低的应变速率的问题，研究电流密度、应变速率、载荷等对塑性变形的影响，优化设计获得了氧化锆陶瓷的低温快速超塑性变形工艺，并初步分析了产生超塑性变形的原因。主要成果如下：（1）电流密度对塑性变形有显著影响。存在一个临界电流密度区间（160−240 mA/mm2），只有在这个电流密度区间，氧化锆陶瓷表现出超塑性。电流密度过小，传质速率太慢，晶界滑移产生的应力过大，难以实现超塑性；电流密度过大，晶粒发生动态长大，晶界滑移所需应力太大，难以实现超塑性。（2）应变速率对超塑性有显著影响。存在一个合适的应变速率区间（10-3 s-1−10-2 s-1），只有在这个应变速率区间，氧化锆陶瓷表现出超塑性。应变速率过低，由于晶粒动态长大，导致流变应力过大；应变速率过快，晶界滑移产生的孔隙不能有效弥合，难以实现超塑性。（3）载荷对超塑性有显著影响。存在一个合适的载荷区间（1−3.5 MPa），只有在这个区间，氧化锆陶瓷表现出超塑性。若载荷太小，应变速率过低，晶粒动态生长明显；若载荷太大，应变速率过高，晶界滑移产生的孔隙不能有效弥合，难以实现超塑性。（4）电场辅助氧化锆陶瓷低温快速超塑性变形的机理是位错协调的晶界滑移。通过外加电场在氧化锆中引入额外的氧空位，这些缺陷一方面弱化晶界，另一方面提高扩散速率，从而导致更低的流变应力和更高的变形速率。在临界电流密度区间，点缺陷的浓度不断增加，并在晶内富集并形成位错，通过位错运动有效协调晶界滑移产生的应力，从而实现超塑性。该项目的研究成果对实现氧化锆陶瓷塑性加工具有重要指导意义。