ジルコニアセラミックスが工学用途で注目を集める

強固な耐久性を維持しながら、材料が極端な温度、高圧、腐食環境に耐えることを可能にするものは何でしょうか?その答えはジルコニアセラミックの中にあるかもしれません。 「セラミックの鋼」と呼ばれるこの先進的な材料は、その優れた特性により航空宇宙から生物医学用途までの産業に革命をもたらしています。

一般にジルコニアとして知られる二酸化ジルコニウム (ZrO₂) は、工業用セラミックスのカテゴリー内で重要なクラスの無機非金属材料を代表します。室温では、次の 3 つの異なる結晶構造を持つ白色固体として見えます。

• 単斜晶系 (m-ZrO₂)
• 正方晶系(t-ZrO₂)
• 立方晶系 (c-ZrO₂)

純粋なジルコニアは、高温でこれらの結晶構造間の相転移中に大幅な体積変化（3 ～ 5% の収縮）を受け、材料の亀裂を引き起こします。この制限を克服するために、工業用途では通常、イットリア (Y2O3)、マグネシア (MgO)、またはカルシア (CaO) などの添加剤を使用して、室温で望ましい結晶構造を維持する安定化技術が採用されています。

ジルコニア セラミックの採用が増えているのは、その物理的特性と化学的特性のユニークな組み合わせによるものです。

• 優れた強度と靭性:工業用セラミックの中でジルコニアは最高の機械的強度を示し、改質後の破壊靱性は他のセラミック材料を大幅に上回ります。
• 極度の硬度:ダイヤモンドや炭化ホウ素のすぐ下に位置するジルコニアは、優れた耐摩耗性を備えています。
• 高温安定性:適切に安定化されたジルコニアは、1000℃を超える温度でも優れた機械的特性と化学的安定性を維持します。
• 耐薬品性:フッ化水素酸には弱いですが、ほとんどの酸、アルカリ、塩溶液に対して安定性を示します。
• 断熱性:熱伝導率が低いため、遮熱コーティングや断熱用途に最適です。
• 生体適合性:非毒性で組織に優しい特性により、医療インプラントや歯科用途での広範な使用が可能になります。
• 電気的特性:絶縁体として高い抵抗率を持ち、固体酸化物型燃料電池用途向けのドーピングによりイオン伝導性を実現できます。

研究者らは、ジルコニアの相変態制限を克服し、性能を向上させるための複数のアプローチを開発しました。

• イットリア安定化ジルコニア (YSZ):最も広く使用されているバリアントで、遮熱コーティングや燃料電池コンポーネントに優れた高温強度と靭性を提供します。
• マグネシア安定化ジルコニア (MSZ):耐火物用途に優れた耐熱衝撃性を提供します。

• 変換強化:応力誘起マルテンサイト変態を利用して、部分安定化ジルコニアにエネルギーを吸収します。
• 分散強化:二次相粒子（Al₂O₃、SiC）を組み込み、亀裂の伝播経路を変更します。
• 繊維強化:セラミックファイバーを採用し、亀裂を橋渡しし伸びを防ぎます。

ジルコニアを他のセラミック（アルミナなど）と組み合わせると、強度、靱性、耐摩耗性が強化された複合材料が作成されます。

次の表は、さまざまな安定化ジルコニア セラミックの主要な特性を比較しています。

ジルコニア セラミックは、複数の分野にわたって重要な機能を果たします。

• 医療技術:関節置換術、歯科インプラント、外科用器具は、生体適合性と耐摩耗性の恩恵を受けています。
• 摩耗コンポーネント:ベアリング、シール、切削工具は、優れた硬度と耐久性を備えています。
• 高温システム:るつぼ、炉内張り、溶射ノズルは熱安定性を利用しています。
• エネルギーシステム:固体酸化物燃料電池電解質はイオン伝導性を利用します。
• 航空宇宙:遮熱コーティングはタービン部品を極度の熱から保護します。

次の表は、さまざまな化学薬品に対するジルコニアの性能を詳しく示しています。

材料科学の進歩に伴い、ジルコニア セラミックは製造技術の改良と新しい複合配合によって進化し続けています。機械的堅牢性、熱安定性、生体適合性の独自の組み合わせにより、高性能エンジニアリング アプリケーション全体での採用が確実に増加しています。現在進行中の研究は、ますます要求が厳しくなる動作環境に対処するために、相安定性、耐破壊性、および多機能機能の強化に焦点を当てています。