Keramik Zirconia Pertimbangan Utama untuk Teknik Kinerja Tinggi

Bayangkan sebuah material yang dapat menahan suhu ekstrem sambil tahan terhadap keausan dan retak, serta mempertahankan kinerja yang sangat baik di lingkungan yang keras. Hal ini merangkum sifat luar biasa dari keramik zirkonia. Zirkonium dioksida (ZrO₂), sebagai bahan keramik canggih, telah menjadi semakin penting dalam industri dirgantara, perangkat medis, otomotif, dan lainnya, berkat karakteristik fisik dan kimianya yang unik.

Zirkonia kristal tunggal menunjukkan transparansi optik yang sangat baik dan ketahanan terhadap guncangan termal yang luar biasa, tetapi ketangguhan dan kekuatan frakturnya yang relatif rendah membatasi aplikasinya. Namun, keramik zirkonia terkenal karena daya tahan dan ketahanan frakturnya yang luar biasa, terutama pada suhu kamar. Ukuran butirannya yang halus (sub-mikron) memungkinkan hasil akhir permukaan yang sangat baik dan retensi tepi yang tajam.

Meskipun keramik zirkonia mempertahankan ketahanan korosinya pada suhu tinggi, perubahan struktural dapat membatasi suhu yang dapat digunakan hingga sekitar 500°C. Selain itu, konduktivitas listriknya secara bertahap meningkat seiring dengan naiknya suhu.

Untuk meningkatkan sifat zirkonia, terutama ketangguhannya, penstabil seperti magnesium oksida (MgO), kalsium oksida (CaO) atau yttria (Y₂O₃) biasanya ditambahkan. Penstabil ini memfasilitasi proses "pengerasan transformasi". Setelah sintering awal, zirkonia yang distabilkan membentuk struktur kristal sebagian kubik yang tetap metastabil selama pendinginan. Ketika retakan menyebar, kristal tetragonal mengalami transformasi fase yang diinduksi tegangan, menyebabkan ekspansi volume yang menyerap energi yang signifikan dan secara substansial meningkatkan ketangguhan material.

Namun, suhu tinggi dapat menyebabkan rekristalisasi yang signifikan pada keramik zirkonia, mengurangi kekuatan dan menyebabkan ekspansi dimensi sebesar 3-7%. Dengan mengendalikan kandungan penstabil, proporsi kristal tetragonal dapat disesuaikan untuk menyeimbangkan ketangguhan terhadap hilangnya kekuatan.

Biasanya mengandung sekitar 10% magnesium oksida dan tampak berwarna krem, PSZ menawarkan kekerasan tinggi yang bertahan pada suhu tinggi. Dibandingkan dengan zirkonia yang distabilkan sepenuhnya, PSZ memiliki ukuran butiran yang lebih besar dan biaya yang lebih rendah. Karakteristik yang menentukannya adalah proporsi fase tetragonal yang berubah di bawah tekanan, menyerap energi untuk meningkatkan ketangguhan. Namun, PSZ memiliki kekuatan yang relatif rendah dan rentan terhadap pertumbuhan butiran pada suhu tinggi, yang menurunkan kinerja.

• Keuntungan: Kekerasan tinggi, kinerja suhu tinggi yang baik, biaya relatif rendah
• Kerugian: Kekuatan sedang, rentan terhadap pertumbuhan butiran pada suhu tinggi
• Aplikasi: Komponen tahan aus, bagian struktural suhu tinggi, cetakan

Mengandung sekitar 3% yttria dengan ukuran butiran terkecil, TZP menampilkan struktur kristal hampir 100% tetragonal, memberikan ketangguhan suhu kamar tertinggi. Namun, antara 200-500°C, perubahan kristal yang ireversibel menyebabkan variasi dimensi yang secara signifikan mengurangi ketangguhan. Sementara butiran halus dan kandungan fase tetragonal yang tinggi dari TZP memberikan kekuatan dan ketangguhan yang luar biasa, material ini sensitif terhadap suhu, rentan terhadap transformasi fase tetragonal-ke-monoklinik pada suhu tinggi.

• Keuntungan: Kekuatan tinggi, ketangguhan superior, struktur butiran halus
• Kerugian: Sensitivitas suhu, transformasi fase pada suhu tinggi
• Aplikasi: Biokeramik, alat potong presisi, membran sel bahan bakar

• Biomedis: Digunakan pada sendi buatan dan implan gigi karena biokompatibilitas dan ketahanan aus yang sangat baik
• Otomotif: Komponen mesin dan sistem pembuangan yang meningkatkan kinerja dan efisiensi bahan bakar
• Dirgantara: Komponen mesin pesawat terbang dan sistem perlindungan termal
• Alat Potong: Pemrosesan kecepatan tinggi dari material yang sulit
• Sel Bahan Bakar: Material elektrolit dalam sel bahan bakar oksida padat (SOFC)
• Lainnya: Lapisan tahan aus, keramik elektronik, sensor

• Lingkungan aplikasi (suhu, kondisi keausan)
• Persyaratan mekanik (kekuatan, ketangguhan, kekerasan)
• Batasan biaya
• Keandalan pemasok dan kemampuan teknis

• Peningkatan kinerja melalui pemrosesan yang lebih baik dan aditif baru
• Pengembangan material komposit yang menggabungkan zirkonia dengan zat lain
• Keramik zirkonia multifungsi (sifat piezoelektrik, fotokatalitik)
• Aplikasi cerdas yang mengintegrasikan sensor dan sistem kontrol

Sebagai material rekayasa berkinerja tinggi, keramik zirkonia menawarkan potensi luar biasa di berbagai industri. Memahami sifat, modifikasi, dan aplikasinya memungkinkan pemilihan dan pemanfaatan material yang optimal. Dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, keramik zirkonia siap untuk memainkan peran yang semakin signifikan dalam solusi rekayasa canggih.