[上图]加州大学戴维斯分校的研究人员发现，向铝酸锌中添加额外的铝可以扩展Hall-Petch关系。信贷:Pxfuel
虽然“大大或回家”可能是许多运动队的口头禅，“较小，越好”是近年来许多材料科学家的目标。
自从1981年开发了扫描隧道显微镜在美国，纳米材料和纳米技术的受欢迎程度迅速上升。当研究人员在这种尺度上设计材料时，他们通常可以获得与大块样品截然不同的材料特性。
对于陶瓷来说，了解纳米尺度上发生的事情的能力尤其有用。陶瓷是由数以百万计排列在不同方向上的小晶体或颗粒组成的。由于能够精确地安排这些构建块，导致了一些重要的发现，例如，扩展了Hall-Petch的关系。
霍尔-佩奇关系是一种定量描述材料屈服强度如何随着晶粒尺寸的减小而增加的描述。换句话说，陶瓷的颗粒越小，其硬度就越高。
在20世纪50年代首次描述了大厅 - Petch关系时，科学家们还没有技术探索这种关系可以走多远的技术。但在1981年之后的几十年中，开发纳米级设计的技术开启了这一探索的门。
1989年,一个开放获取的纸Chokshi等人观察到了所谓的反向Hall-Petch关系。相反的Hall-Petch关系是指一旦颗粒小于100纳米就会发生的现象。研究人员看到的不是陶瓷变得更硬，而是他们所称的“软化”，即它的硬度开始下降。
研究人员多年来一直在争论陶瓷中Hall-Petch逆机制的问题。2019年，一个由里卡多·卡斯特罗加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)材料科学与工程教授、ACerS研究员认为，“新能量耗散模式的激活”导致的开裂是原因。
在一个结论帖子在该研究的情况下，Castro表示，下一步是定义控制裂缝的策略，从而避免逆厅 - 竖起关系。现在，在一个纸出版几乎正好两年后，卡斯特罗和研究生路易斯·索特洛·马丁m6vip米乐 ，描述了一种减轻反向Hall-Petch和扩展Hall-Petch关系的方法。
他们首先叙述了他们在2019年的研究中确定的结果——随着晶粒尺寸的减小，晶界能的相应增加会导致沿晶断裂和硬度下降。
他们写道:“这种提出的晶界能(或晶界强度)和Hall-Petch行为之间的关系表明，反向的Hall-Petch关系可以通过避免晶界能的增加来缓解，这表明在纳米陶瓷中可以实现‘巨大的’硬化。”
那么，如何避免谷物边界能量增加？研究人员建议脱离化学计量可能是一个解决方案。
非化学计量指的是成分之间没有期望的整数比的化合物。例如，铝酸锌的非化学计量化合物(ZnAl2O4)包含额外的铝是ZnAl2.87O4．
先前的研究发现，具有非化学计量配方的陶瓷改变了晶界特性。例如，对铝酸镁的研究表明，过量的铝会影响局部空间电荷层和现象，例如晶界迁移．同样,一个锌铝酸锌研究结果表明，提高铝锌比可以抑制烧结过程中的粗化。
尽管它有改变晶界性质的潜力，但在Hall-Petch关系中，非化学计量学的影响还没有得到充分的研究。卡斯特罗和索特洛·马丁(Sotelo Martin)希望通过他们最近的研究填补这一空白，这项研究由美国陆军研究办公室(Army Research Office)资助。
它们选择Zinc铝酸盐纳米陶瓷作为其研究的基础，因为它在工业中可能的应用。“铝酸盐是透明盔甲和激光主机的一个很棒的候选人，”卡斯特罗在电子邮件中解释。“它的导热性比其他候选人（如蓝宝石，铝酸镁或ALON）更高。导热率与热抗冲击性直接相关，因此Znal2O4是一个赢家。而且，它并不比铝酸镁更难加工。”
他们使用共沉淀法合成了准化学计量的纳米晶ZnAl2.01O4粉末和富铝的ZnAl2.87O4的技术。然后，他们以两种方式烧结纳米粉体-变形-冲压火花等离子烧结和高压火花等离子烧结。
他们以两种方式烧结纳米粉末来解决先前研究中出现的问题。其中，高压火花等离子烧结制备陶瓷的一些研究观察到了逆Hall-Petch的发生，而变形-冲压火花等离子烧结制备陶瓷的一些研究没有观察到逆Hall-Petch的发生。因为这些结果表明了烧结条件对Hall-Petch逆关系的影响，Castro和Sotelo Martin想要解释这种可能性。
通过维氏硬度测试，研究人员确定烧结技术对纳米晶氧化物中反向Hall-Petch的发生没有实质性的影响。相反,过量的铝做有效果,quasi-stoichiometric样品由高压火花等离子烧结展出的最大硬度18.6 GPa的粒径21.4 nm,生产的铝钛样品相同的技术加强了19.2的绩点在12.6纳米晶粒大小。
在讨论部分，Castro和Sotelo Martin解释说，对样品的分析表明，铝的富集改变了维克斯压痕下形成的裂缝模式，这影响了样品适应载荷的方式。他们写道，具体来说，铝“作为晶粒剪切的钉扎剂，提高了晶界的韧性，类似于稀土掺杂的报告。”
卡斯特罗说，他们希望这项研究将激发陶瓷行业的进一步研究。“没有理由认为这只与纳米陶瓷有关，因为微陶瓷的特性也取决于晶界特性，”他说。此外，“我们的一些初步测试表明，通过类似的机制，透明纳米陶瓷的韧性也可以提高，我们现在正在扩展这一概念。
论文，发表于美国陶瓷学会杂志m6米乐网官网,是“铝过量在纳米晶铝酸锌中扩展Hall-Petch关系“（DOI：10.1111 / Jace.18176）。