سرامیک‌های زیرکونیا در کاربردهای مهندسی محبوبیت پیدا می‌کنند

چه چیزی به یک ماده اجازه می دهد تا در برابر دماهای شدید، فشارهای بالا و محیط های خورنده مقاومت کند و در عین حال دوام فوق العاده ای داشته باشد؟ پاسخ ممکن است در سرامیک های زیرکونیا نهفته باشد. این ماده پیشرفته که به عنوان "فولاد سرامیک ها" نامیده می شود، با خواص استثنایی خود در حال ایجاد انقلابی در صنایع از هوافضا تا کاربردهای زیست پزشکی است.

دی اکسید زیرکونیوم (ZrO₂)، که معمولاً به عنوان زیرکونیا شناخته می شود، یک کلاس مهم از مواد غیر آلی غیر فلزی در دسته سرامیک های فنی را نشان می دهد. در دمای اتاق، به صورت یک جامد سفید با سه ساختار کریستالی متمایز ظاهر می شود:

• مونوکلینیک (m-ZrO₂)
• تتراگونال (t-ZrO₂)
• مکعبی (c-ZrO₂)

زیرکونیای خالص در طول گذارهای فاز بین این ساختارهای کریستالی در دماهای بالا، دچار تغییرات حجمی قابل توجهی (انقباض 3-5٪) می شود که منجر به ترک خوردن مواد می شود. برای غلبه بر این محدودیت، کاربردهای صنعتی معمولاً از تکنیک های تثبیت با استفاده از افزودنی هایی مانند ایتریوم (Y₂O₃)، منیزیم (MgO) یا کلسیم (CaO) برای حفظ ساختارهای کریستالی مطلوب در دمای اتاق استفاده می کنند.

افزایش استفاده از سرامیک های زیرکونیا ناشی از ترکیب منحصر به فرد ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آنها است:

• استحکام و چقرمگی برتر: در میان سرامیک های فنی، زیرکونیا بالاترین استحکام مکانیکی را نشان می دهد، با چقرمگی شکستگی که به طور قابل توجهی از سایر مواد سرامیکی پس از اصلاح فراتر می رود.
• سختی شدید: زیرکونیا که درست زیر الماس و کاربید بور قرار دارد، مقاومت فوق العاده ای در برابر سایش ارائه می دهد.
• پایداری در دمای بالا: زیرکونیای تثبیت شده به درستی، خواص مکانیکی عالی و پایداری شیمیایی را در دماهای بالای 1000 درجه سانتیگراد حفظ می کند.
• مقاومت شیمیایی: پایداری در برابر اکثر اسیدها، قلیاها و محلول های نمکی را نشان می دهد، اگرچه در برابر اسید هیدروفلوئوریک آسیب پذیر است.
• عایق حرارتی: هدایت حرارتی کم آن را برای پوشش های مانع حرارتی و کاربردهای عایق ایده آل می کند.
• زیست سازگاری: خواص غیر سمی و سازگار با بافت، استفاده گسترده در ایمپلنت های پزشکی و کاربردهای دندانی را امکان پذیر می کند.
• خواص الکتریکی: مقاومت بالا به عنوان یک عایق، با هدایت یونی که از طریق دوپینگ برای کاربردهای سلول سوختی اکسید جامد به دست می آید.

محققان رویکردهای متعددی را برای غلبه بر محدودیت های تبدیل فاز زیرکونیا و افزایش عملکرد توسعه داده اند:

• زیرکونیای تثبیت شده با ایتریوم (YSZ): متداول ترین نوع، ارائه استحکام و چقرمگی عالی در دمای بالا برای پوشش های مانع حرارتی و اجزای سلول سوختی.
• زیرکونیای تثبیت شده با منیزیم (MSZ): مقاومت در برابر شوک حرارتی برتر را برای کاربردهای نسوز فراهم می کند.

• سخت شدن تبدیل: از تبدیل مارتنزیتی القا شده با تنش برای جذب انرژی در زیرکونیای تا حدی تثبیت شده استفاده می کند.
• تقویت پراکندگی: ذرات فاز ثانویه (Al₂O₃، SiC) را برای تغییر مسیرهای انتشار ترک ترکیب می کند.
• تقویت فیبر: از الیاف سرامیکی برای پل زدن ترک ها و جلوگیری از گسترش استفاده می کند.

ترکیب زیرکونیا با سایر سرامیک ها (به عنوان مثال، آلومینا) مواد کامپوزیتی با استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر سایش افزایش یافته ایجاد می کند.

جدول زیر خواص کلیدی سرامیک های زیرکونیای تثبیت شده مختلف را مقایسه می کند:

سرامیک های زیرکونیا عملکردهای مهمی را در بخش های مختلف انجام می دهند:

• فناوری پزشکی: جایگزینی مفاصل، ایمپلنت های دندانی و ابزارهای جراحی از زیست سازگاری و مقاومت در برابر سایش بهره می برند.
• اجزای سایش: بلبرینگ ها، مهر و موم ها و ابزارهای برش از سختی و دوام استثنایی استفاده می کنند.
• سیستم های با دمای بالا: بوته ها، آسترهای کوره و نازل های اسپری حرارتی از پایداری حرارتی استفاده می کنند.
• سیستم های انرژی: الکترولیت های سلول سوختی اکسید جامد از هدایت یونی استفاده می کنند.
• هوافضا: پوشش های مانع حرارتی از اجزای توربین در برابر گرمای شدید محافظت می کنند.

جدول زیر عملکرد زیرکونیا را در برابر عوامل شیمیایی مختلف نشان می دهد:

با پیشرفت علم مواد، سرامیک های زیرکونیا همچنان از طریق تکنیک های تولید بهبود یافته و فرمولاسیون های کامپوزیت جدید در حال تکامل هستند. ترکیب منحصر به فرد آنها از استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی و زیست سازگاری، استفاده فزاینده در کاربردهای مهندسی با عملکرد بالا را تضمین می کند. تحقیقات مداوم بر افزایش پایداری فاز، مقاومت در برابر شکستگی و قابلیت های چند منظوره برای رسیدگی به محیط های عملیاتی فزاینده متمرکز است.