Zirkoniumkeramiek: Belangrijke overwegingen voor hoogwaardige techniek

Stel je een materiaal voor dat bestand is tegen extreme temperaturen en tegelijkertijd slijtage en breuk weerstaat, terwijl het uitstekende prestaties behoudt in zware omgevingen. Dit omvat de opmerkelijke eigenschappen van zirconia-keramiek. Zirconiumdioxide (ZrO₂), als een geavanceerd keramisch materiaal, is steeds belangrijker geworden in de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur, de auto-industrie en daarbuiten, dankzij zijn unieke fysieke en chemische eigenschappen.

Enkelkristal zirconia vertoont uitstekende optische transparantie en uitzonderlijke thermische schokbestendigheid, maar de relatief lage breuktaaiheid en sterkte beperken de toepassingen ervan. Zirconia-keramiek staat echter bekend om zijn uitstekende duurzaamheid en breukweerstand, met name bij kamertemperatuur. De fijne (submicron) korrelgrootte maakt een uitstekende oppervlakteafwerking en scherpe randbehoud mogelijk.

Hoewel zirconia-keramiek zijn corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen behoudt, kunnen structurele veranderingen de bruikbare temperatuur beperken tot ongeveer 500°C. Bovendien neemt de elektrische geleidbaarheid geleidelijk toe met stijgende temperaturen.

Om de eigenschappen van zirconia te verbeteren, met name de taaiheid, worden doorgaans stabilisatoren zoals magnesiumoxide (MgO), calciumoxide (CaO) of yttria (Y₂O₃) toegevoegd. Deze stabilisatoren vergemakkelijken een "transformatie-verstevigings"-proces. Na het initiële sinteren vormt de gestabiliseerde zirconia een gedeeltelijk kubische kristalstructuur die metastabiel blijft tijdens het afkoelen. Wanneer scheuren zich voortplanten, ondergaan tetragonale kristallen een spanningsgeïnduceerde faseovergang, waardoor volume-expansie ontstaat die aanzienlijke energie absorbeert en de taaiheid van het materiaal aanzienlijk verbetert.

Hoge temperaturen kunnen echter aanzienlijke herkristallisatie in zirconia-keramiek veroorzaken, waardoor de sterkte afneemt en een dimensionale expansie van 3-7% ontstaat. Door de stabilisatorinhoud te regelen, kan het aandeel tetragonale kristallen worden aangepast om de taaiheid in evenwicht te brengen met het verlies aan sterkte.

PSZ bevat doorgaans ongeveer 10% magnesiumoxide en heeft een crèmekleur. Het biedt een hoge hardheid die aanhoudt bij verhoogde temperaturen. In vergelijking met volledig gestabiliseerde zirconia heeft PSZ een grotere korrelgrootte en lagere kosten. De bepalende eigenschap is een aandeel tetragonale fase dat onder spanning transformeert, waardoor energie wordt geabsorbeerd om de taaiheid te verbeteren. PSZ heeft echter een relatief lage sterkte en is gevoelig voor korrelgroei bij hoge temperaturen, wat de prestaties vermindert.

• Voordelen: Hoge hardheid, goede prestaties bij hoge temperaturen, relatief lage kosten
• Nadelen: Matige sterkte, gevoelig voor korrelgroei bij hoge temperaturen
• Toepassingen: Slijtvaste componenten, structurele onderdelen voor hoge temperaturen, mallen

TZP bevat ongeveer 3% yttria met de kleinste korrelgrootte en heeft bijna 100% tetragonale kristalstructuur, wat de hoogste taaiheid bij kamertemperatuur oplevert. Tussen 200-500°C veroorzaken onomkeerbare kristalveranderingen echter dimensionale variaties die de taaiheid aanzienlijk verminderen. Hoewel de fijne korrels en het hoge tetragonale fasegehalte van TZP uitzonderlijke sterkte en taaiheid bieden, is het materiaal temperatuurgevoelig en gevoelig voor tetragonale-naar-monokliene faseovergang bij hoge temperaturen.

• Voordelen: Hoge sterkte, superieure taaiheid, fijne korrelstructuur
• Nadelen: Temperatuurgevoeligheid, faseovergang bij hoge temperaturen
• Toepassingen: Biokeramiek, precisiesnijgereedschappen, brandstofcelmembranen

• Biomedisch: Gebruikt in kunstgewrichten en tandheelkundige implantaten vanwege uitstekende biocompatibiliteit en slijtvastheid
• Automotive: Motor- en uitlaatsysteemcomponenten die de prestaties en brandstofefficiëntie verbeteren
• Lucht- en ruimtevaart: Motoronderdelen voor vliegtuigen en thermische beschermingssystemen
• Snijgereedschappen: Hoge-snelheidsbewerking van moeilijke materialen
• Brandstofcellen: Elektrolytmateriaal in solid oxide fuel cells (SOFC's)
• Overig: Slijtvaste coatings, elektronische keramiek, sensoren

• Toepassingsomgeving (temperatuur, slijtagecondities)
• Mechanische vereisten (sterkte, taaiheid, hardheid)
• Kostenbeperkingen
• Betrouwbaarheid van de leverancier en technische capaciteit

• Prestatieverbetering door verbeterde verwerking en nieuwe additieven
• Ontwikkeling van composietmaterialen die zirconia combineren met andere stoffen
• Multifunctionele zirconia-keramiek (piëzo-elektrische, fotokatalytische eigenschappen)
• Slimme toepassingen die sensoren en besturingssystemen integreren

Als een hoogwaardig technisch materiaal biedt zirconia-keramiek enorme mogelijkheden in verschillende industrieën. Inzicht in de eigenschappen, modificaties en toepassingen ervan maakt een optimale materiaalselectie en -gebruik mogelijk. Met voortdurende technologische vooruitgang zullen zirconia-keramiek een steeds belangrijkere rol gaan spelen in geavanceerde technische oplossingen.