Panduan Mencegah Keretakan pada Keramik Zirkonia yang Stabil

Zirkonia yang Distabilkan: Meningkatkan Ketahanan Keramik

Retak yang sering terjadi pada produk keramik bukan hanya masalah manufaktur—tetapi berakar pada sifat material. Zirkonia murni mengalami transformasi fase yang dramatis selama perubahan suhu, yang menyebabkan pergeseran volume tiba-tiba yang menyebabkan kegagalan struktural. Tantangan ini telah menyebabkan pengembangan zirkonia yang distabilkan, sebuah terobosan material yang memecahkan masalah ketahanan keramik. Artikel ini mengeksplorasi prinsip-prinsip, jenis-jenis, dan aplikasi zirkonia yang distabilkan untuk membantu mengoptimalkan kinerja keramik.

Zirkonia (ZrO₂), umumnya dikenal sebagai zirkonium dioksida, adalah bahan keramik penting dengan cacat kritis: ia ada dalam tiga fase kristal pada suhu yang berbeda. Di bawah 1173°C, ia monoklinik; antara 1173°C-2370°C, tetragonal; dan dari 2370°C-2690°C, kubik. Transisi yang paling bermasalah terjadi ketika pendinginan dari fase tetragonal ke monoklinik, menyebabkan ekspansi volume sekitar 9%. Ekspansi ini menghasilkan tegangan internal yang menyebabkan retak, sangat membatasi penggunaan zirkonia murni dalam aplikasi suhu tinggi.

Para ilmuwan mengembangkan stabilisasi dengan memperkenalkan aditif tertentu yang mempertahankan fase kubik zirkonia pada rentang suhu yang lebih luas. Proses ini bekerja melalui substitusi ionik—menggantikan beberapa ion Zr⁴⁺ (radius: 0,82 Å) dalam kisi kristal dengan ion logam yang sedikit lebih besar seperti Y³⁺ (0,96 Å), Ca²⁺, Mg²⁺, atau Ce⁴⁺. Dopan ini membentuk larutan padat yang mengubah energi kisi, menekan transisi fase dan menstabilkan struktur kubik bahkan pada suhu kamar.

Mengandung 3-8 mol% Y₂O₃, YSZ mendominasi pasar dengan konduktivitas ionik yang luar biasa, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan korosi. Penggunaan utamanya meliputi sel bahan bakar oksida padat (SOFC), sensor oksigen, lapisan penghalang termal, dan implan biomedis. Dalam SOFC, elektrolit YSZ secara efisien mengangkut ion oksigen untuk reaksi elektrokimia.

Dengan 8-12 mol% CaO, CSZ menawarkan stabilitas termal yang baik tetapi menderita kelemahan mekanis dan penuaan karena migrasi ion kalsium. Terutama digunakan dalam lapisan tungku, wadah, dan bahan tahan api, aplikasinya dibatasi oleh penurunan kinerja pada suhu tinggi.

Mirip dengan CSZ tetapi dengan 8-12 mol% MgO, MSZ unggul dalam ketahanan guncangan termal tetapi memiliki kekuatan rendah dan masalah stabilitas fase. Ini berfungsi dengan baik dalam bahan tahan api, filter keramik, dan isolator suhu tinggi, meskipun segregasi magnesium memengaruhi kinerja jangka panjang.

Mengandung 10-20 mol% CeO₂, CeSZ menonjol karena aktivitas redoks dan kinerja katalitik. Keadaan oksidasi cerium yang bervariasi (Ce³⁺/Ce⁴⁺) memungkinkan penyimpanan oksigen, menjadikannya ideal untuk katalis otomotif, elektroda sel bahan bakar, dan sensor kimia. Manfaat tambahan termasuk stabilitas termal dan ketahanan terhadap sintering.

Menggunakan penambahan Al₂O₃ kecil, ASZ meningkatkan perilaku sintering dan kekuatan mekanik sambil menghambat pertumbuhan butiran. Aplikasi mencakup alat potong, komponen tahan aus, dan biokeramik canggih, di mana struktur butiran yang halus meningkatkan kekerasan dan kepadatan.

Saat memilih zirkonia yang distabilkan, pertimbangkan:

• Persyaratan aplikasi: Penggunaan struktural suhu tinggi membutuhkan YSZ atau ASZ, sementara aplikasi katalitik mendapat manfaat dari CeSZ.
• Kandungan penstabil: Tingkat dopan yang lebih tinggi meningkatkan stabilitas fase tetapi dapat mengurangi sifat mekanik.
• Karakteristik bubuk: Ukuran partikel yang seragam, kemurnian tinggi, dan dispersi yang baik memastikan sinterabilitas yang lebih baik.
• Proses sintering: Profil suhu dan laju pemanasan yang dioptimalkan sangat penting untuk mencapai keramik yang padat dan berkinerja tinggi.

Sebagai keramik fungsional serbaguna, zirkonia yang distabilkan terus memperluas aplikasinya di berbagai industri. Pemilihan material dan optimasi pemrosesan yang tepat dapat secara signifikan meningkatkan keandalan dan kinerja produk.