過酷な環境下でも優れた性能を維持し、摩耗や破損に耐えることができる材料を想像してみてください。これは、ジルコニアセラミックスの驚くべき特性を要約しています。二酸化ジルコニウム（ZrO₂）は、高度なセラミック材料として、その独特な物理的および化学的特性により、航空宇宙、医療機器、自動車産業などでますます重要になっています。
単結晶ジルコニアは、優れた光学的透明性と卓越した耐熱衝撃性を有していますが、その比較的低い破壊靭性と強度が用途を制限しています。しかし、ジルコニアセラミックスは、特に室温での優れた耐久性と耐破壊性で知られています。その微細（サブミクロン）な粒径は、優れた表面仕上げと鋭いエッジ保持を可能にします。
ジルコニアセラミックスは高温でも耐食性を維持しますが、構造変化により、その使用可能温度は約500°Cに制限される可能性があります。さらに、その電気伝導率は温度上昇とともに徐々に増加します。
ジルコニアの特性、特に靭性を高めるために、酸化マグネシウム（MgO）、酸化カルシウム（CaO）、またはイットリア（Y₂O₃）などの安定剤が一般的に添加されます。これらの安定剤は、「変態強化」プロセスを促進します。最初の焼結後、安定化されたジルコニアは、冷却中に準安定状態を維持する部分的に立方晶構造を形成します。亀裂が伝播すると、正方晶が応力誘起相変態を起こし、体積膨張を引き起こし、大きなエネルギーを吸収し、材料の靭性を大幅に向上させます。
しかし、高温はジルコニアセラミックスに著しい再結晶を引き起こし、強度を低下させ、3〜7％の寸法膨張を引き起こす可能性があります。安定剤の含有量を制御することにより、正方晶の割合を調整して、靭性と強度損失のバランスを取ることができます。
通常、約10％の酸化マグネシウムを含み、クリーム色を呈するPSZは、高温でも持続する高い硬度を提供します。完全安定化ジルコニアと比較して、PSZはより大きな粒径と低コストです。その特徴は、応力下で変態し、エネルギーを吸収して靭性を高める正方晶相の割合です。ただし、PSZは比較的強度が低く、高温での粒成長を起こしやすく、性能が低下します。
約3％のイットリアを含み、最も小さな粒径を持つTZPは、ほぼ100％の正方晶構造を特徴とし、最高の室温靭性を実現します。ただし、200〜500°Cの間では、不可逆的な結晶変化により、靭性を大幅に低下させる寸法変化が発生します。TZPの微細な粒子と高い正方晶相含有量は、優れた強度と靭性を提供しますが、材料は温度に敏感であり、高温での正方晶から単斜晶への相変態を起こしやすいです。
高性能エンジニアリング材料として、ジルコニアセラミックスは、業界全体で大きな可能性を秘めています。その特性、改質、用途を理解することで、最適な材料選択と利用が可能になります。継続的な技術進歩により、ジルコニアセラミックスは、高度なエンジニアリングソリューションにおいてますます重要な役割を果たすことになります。
