راهنمای پیشگیری از ترک خوردگی در سرامیک‌های زیرکونیای تثبیت‌شده

زیرکونیای تثبیت شده: افزایش دوام سرامیک

ترک خوردن مکرر در محصولات سرامیکی فقط یک مسئله تولیدی نیست، بلکه ریشه در خواص مواد دارد. زیرکونیای خالص در طول تغییرات دما، دگرگونی‌های فازی چشمگیری را تجربه می‌کند که منجر به تغییرات ناگهانی حجم می‌شود و باعث شکست ساختاری می‌شود. این چالش منجر به توسعه زیرکونیای تثبیت شده شده است، یک ماده پیشگام که مشکلات دوام سرامیک را حل می‌کند. این مقاله به بررسی اصول، انواع و کاربردهای زیرکونیای تثبیت شده برای کمک به بهینه‌سازی عملکرد سرامیک می‌پردازد.

زیرکونیا (ZrO₂)، که معمولاً به عنوان دی اکسید زیرکونیوم شناخته می‌شود، یک ماده سرامیکی حیاتی با یک نقص اساسی است: در سه فاز کریستالی در دماهای مختلف وجود دارد. زیر 1173 درجه سانتی‌گراد، تک‌شیبی است. بین 1173 درجه سانتی‌گراد تا 2370 درجه سانتی‌گراد، تتراگونال است. و از 2370 درجه سانتی‌گراد تا 2690 درجه سانتی‌گراد، مکعبی است. مشکل‌سازترین انتقال زمانی رخ می‌دهد که از فاز تتراگونال به فاز تک‌شیبی سرد می‌شود و باعث انبساط حجمی تقریباً 9٪ می‌شود. این انبساط تنش‌های داخلی ایجاد می‌کند که منجر به ترک خوردن می‌شود و استفاده از زیرکونیای خالص را در کاربردهای با دمای بالا به شدت محدود می‌کند.

دانشمندان تثبیت را با معرفی افزودنی‌های خاصی توسعه دادند که فاز مکعبی زیرکونیا را در محدوده‌های دمایی وسیع‌تری حفظ می‌کند. این فرآیند از طریق جایگزینی یونی کار می‌کند - جایگزینی برخی از یون‌های Zr⁴⁺ (شعاع: 0.82 Å) در شبکه کریستالی با یون‌های فلزی کمی بزرگتر مانند Y³⁺ (0.96 Å)، Ca²⁺، Mg²⁺ یا Ce⁴⁺. این مواد افزودنی محلول‌های جامدی را تشکیل می‌دهند که انرژی شبکه را تغییر می‌دهند، انتقال فاز را سرکوب می‌کنند و ساختار مکعبی را حتی در دمای اتاق تثبیت می‌کنند.

YSZ با داشتن 3-8 مول٪ Y₂O₃، با هدایت یونی استثنایی، استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی بر بازار تسلط دارد. کاربردهای کلیدی شامل سلول‌های سوختی اکسید جامد (SOFC)، حسگرهای اکسیژن، پوشش‌های مانع حرارتی و ایمپلنت‌های زیست پزشکی است. در SOFCها، الکترولیت‌های YSZ یون‌های اکسیژن را برای واکنش‌های الکتروشیمیایی به طور موثر منتقل می‌کنند.

CSZ با 8-12 مول٪ CaO، پایداری حرارتی خوبی را ارائه می‌دهد، اما به دلیل ضعف مکانیکی و پیری به دلیل مهاجرت یون کلسیم، رنج می‌برد. عمدتاً در پوشش‌های کوره، بوته‌ها و مواد نسوز استفاده می‌شود، کاربردهای آن با تخریب عملکرد در دماهای بالا محدود می‌شود.

مشابه CSZ اما با 8-12 مول٪ MgO، MSZ در برابر شوک حرارتی عالی است اما دارای استحکام کم و مشکلات پایداری فاز است. این ماده در مواد نسوز، فیلترهای سرامیکی و عایق‌های با دمای بالا به خوبی عمل می‌کند، اگرچه جداسازی منیزیم بر عملکرد طولانی‌مدت تأثیر می‌گذارد.

CeSZ با داشتن 10-20 مول٪ CeO₂، به دلیل فعالیت ردوکس و عملکرد کاتالیزوری برجسته است. حالت‌های اکسیداسیون متغیر سریم (Ce³⁺/Ce⁴⁺) ذخیره اکسیژن را امکان‌پذیر می‌کند و آن را برای کاتالیزورهای خودرو، الکترودهای سلول سوختی و حسگرهای شیمیایی ایده‌آل می‌کند. مزایای اضافی شامل پایداری حرارتی و مقاومت در برابر تفجوش است.

ASZ با استفاده از افزودن‌های کوچک Al₂O₃، رفتار تفجوش و استحکام مکانیکی را بهبود می‌بخشد و در عین حال از رشد دانه جلوگیری می‌کند. کاربردها شامل ابزارهای برش، اجزای مقاوم در برابر سایش و زیست سرامیک‌های پیشرفته است، جایی که ساختار دانه تصفیه شده سختی و چگالی را افزایش می‌دهد.

هنگام انتخاب زیرکونیای تثبیت شده، موارد زیر را در نظر بگیرید:

• الزامات کاربردی: کاربردهای ساختاری با دمای بالا به YSZ یا ASZ نیاز دارند، در حالی که کاربردهای کاتالیزوری از CeSZ بهره می‌برند.
• محتوای تثبیت‌کننده: سطوح بالای مواد افزودنی پایداری فاز را بهبود می‌بخشند اما ممکن است خواص مکانیکی را کاهش دهند.
• مشخصات پودر: اندازه ذرات یکنواخت، خلوص بالا و پراکندگی خوب، تفجوش‌پذیری بهتری را تضمین می‌کند.
• فرآیند تفجوش: پروفیل‌های دما و نرخ‌های گرمایش بهینه برای دستیابی به سرامیک‌های متراکم و با عملکرد بالا بسیار مهم هستند.

زیرکونیای تثبیت شده به عنوان یک سرامیک کاربردی همه‌کاره، به گسترش کاربردهای خود در صنایع مختلف ادامه می‌دهد. انتخاب مواد مناسب و بهینه‌سازی فرآیند می‌تواند قابلیت اطمینان و عملکرد محصول را به طور قابل توجهی افزایش دهد.