ما الذي يمكّن المادة من تحمل درجات الحرارة القصوى والضغوط العالية والبيئات المسببة للتآكل مع الحفاظ على متانتها الصلبة؟ قد تكمن الإجابة في سيراميك الزركونيا. يطلق عليه اسم "فولاذ السيراميك"، هذه المادة المتطورة تحدث ثورة في الصناعات من الفضاء إلى التطبيقات الطبية الحيوية من خلال خصائصها الاستثنائية.
يمثل ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO₂)، المعروف باسم الزركونيا، فئة مهمة من المواد غير العضوية غير المعدنية ضمن فئة السيراميك التقني. في درجة حرارة الغرفة، يظهر كمادة صلبة بيضاء بثلاثة هياكل بلورية مميزة:
تخضع الزركونيا النقية لتغيرات كبيرة في الحجم (انكماش بنسبة 3-5٪) أثناء التحولات الطورية بين هذه الهياكل البلورية في درجات الحرارة المرتفعة، مما يؤدي إلى تشقق المادة. للتغلب على هذا القيد، تستخدم التطبيقات الصناعية عادةً تقنيات التثبيت باستخدام إضافات مثل الإيتريا (Y₂O₃) أو المغنيسيا (MgO) أو الكالسيا (CaO) للحفاظ على الهياكل البلورية المرغوبة في درجة حرارة الغرفة.
ينبع التبني المتزايد لسيراميك الزركونيا من مجموعتها الفريدة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية:
طور الباحثون أساليب متعددة للتغلب على قيود التحول الطوري للزركونيا وتعزيز الأداء:
يؤدي الجمع بين الزركونيا والسيراميك الأخرى (مثل الألومينا) إلى إنشاء مواد مركبة ذات قوة وصلابة ومقاومة تآكل معززة.
تقارن الجداول التالية الخصائص الرئيسية لمختلف سيراميك الزركونيا المستقرة:
| الخاصية | Zircalon 5 (YSZ) | Zircalon 10 (YSZ) | Zircalon 20 (MSZ) | Zircalon 30 (مركب) |
|---|---|---|---|---|
| الكثافة (جم/سم مكعب) | 6.13 | 6.05 | 6.05 | >5.62 |
| قوة الانحناء (ميجا باسكال) | 1000 | 1200 | 1200 | 1000 |
| متانة الكسر (ميجا باسكال·م½) | 4.0 | 5.0 | 10.0 | 10.0 |
| مقاومة الصدمات الحرارية (ΔT°C) | 250 | 250 | 350 | 250 |
| أقصى درجة حرارة للخدمة (°C) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
تخدم سيراميك الزركونيا وظائف مهمة عبر قطاعات متعددة:
تفصل الجداول التالية أداء الزركونيا مقابل عوامل كيميائية مختلفة:
| المادة الكيميائية | التركيز | درجة الحرارة | التعرض | رد الفعل |
|---|---|---|---|---|
| حمض الهيدروكلوريك | 33% | الغليان | 100 ساعة | ضعيف |
| حمض الكبريتيك | 98% | الغليان | 100 ساعة | ضعيف |
| هيدروكسيد الصوديوم | 50% | الغليان | 100 ساعة | لا شيء |
| حمض الهيدروفلوريك | 100% | الغليان | 100 ساعة | قوي |
مع تقدم علوم المواد، تستمر سيراميك الزركونيا في التطور من خلال تحسين تقنيات التصنيع وتركيبات مركبة جديدة. يضمن مزيجها الفريد من المتانة الميكانيكية والاستقرار الحراري والتوافق الحيوي اعتمادًا متزايدًا عبر تطبيقات الهندسة عالية الأداء. يركز البحث المستمر على تعزيز استقرار الطور ومقاومة الكسر والقدرات متعددة الوظائف لمعالجة بيئات التشغيل المتزايدة الصعوبة.
