سرامیک‌های زیرکونیا: ملاحظات کلیدی برای مهندسی با عملکرد بالا

یک ماده را تصور کنید که می تواند در برابر دماهای شدید مقاومت کند در حالی که در برابر فرسایش و شکستگی مقاومت می کند، عملکرد عالی را در محیط های خشن حفظ می کند.این ویژگی های قابل توجه سرکیمی زیرکونی را نشان می دهددی اکسید زرکونیوم (ZrO2) به عنوان یک ماده سرامیکی پیشرفته در هوافضا، دستگاه های پزشکی، صنایع خودرو و فراتر از آن به طور فزاینده ای اهمیت پیدا کرده است.به لطف ویژگی های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آن.

زرکونیا تک کریستالی دارای شفافیت نوری عالی و مقاومت استثنایی در برابر شوک حرارتی است، اما مقاومت و مقاومت نسبتا کم شکستگی آن را محدود می کند.سرامیک زیرکونیا به خاطر دوام و مقاومت در برابر شکستگی شناخته شده است، به ویژه در دمای اتاق. اندازه دانه های نازک (تحت میکرو) آنها باعث تکمیل سطح عالی و حفظ لبه های تیز می شود.

در حالی که سرامیک زیرکونیا مقاومت خود را در برابر خوردگی در دمای بالا حفظ می کند، تغییرات ساختاری ممکن است دمای قابل استفاده خود را به حدود 500 درجه سانتیگراد محدود کند.رسانایی الکتریکی آنها به تدریج با افزایش دما افزایش می یابد.

برای افزایش خواص زرکونیا، به ویژه سختی آن، استقرار دهنده هایی مانند اکسید منیزیم (MgO) ، اکسید کلسیم (CaO) یا یتریا (Y2O3) به طور معمول اضافه می شوند.این تثبیت کننده ها روند "تثبیت" را تسهیل می کنندپس از سینتر کردن اولیه، زرکونیا پایدار یک ساختار کریستالی نیمه مکعب تشکیل می دهد که در طول خنک شدن متاسکال باقی می ماند.کریستال های تترگونیال تحت تحول فازی ناشی از استرس قرار می گیرند.، باعث گسترش حجم می شود که انرژی قابل توجهی را جذب می کند و به طور قابل توجهی از سختی مواد بهبود می یابد.

با این حال، دمای بالا می تواند باعث دوباره کریستال شدن قابل توجهی در سرکیمی زرکونیا شود، باعث کاهش قدرت و باعث گسترش ابعاد 3-7٪ شود.نسبت کریستال های تترگونال را می توان برای تعادل سختی در برابر از دست دادن قدرت تنظیم کرد.

معمولاً حاوی حدود 10٪ اکسید منیزیم و رنگ کرم است ، PSZ سختی بالایی را ارائه می دهد که در دمای بالا ادامه دارد.PSZ دارای اندازه غلات بزرگتر و هزینه کمتری استمشخصه ی مشخصه ی آن نسبت فاز تترگونال است که تحت فشار تغییر شکل می دهد و انرژی را جذب می کند تا مقاومت را افزایش دهد.PSZ دارای قدرت نسبتا کم است و مستعد رشد دانه در دمای بالا استکه باعث کاهش عملکرد می شه.

• مزایا:سختی بالا، عملکرد خوب در دمای بالا، هزینه نسبتا کم
• معایب:قدرت متوسط، مستعد رشد دانه در دمای بالا
• کاربردها:اجزای مقاوم به فرسایش، قطعات ساختاری در دمای بالا، قالب ها

حاوی حدود 3٪ yttria با کوچکترین اندازه دانه، TZP دارای تقریبا 100٪ ساختار کریستالی tetragonal، ارائه بالاترین سختی در دمای اتاق است.تغییرات غیر قابل برگشت کریستال باعث تغییرات ابعاد می شود که به طور قابل توجهی سختی را کاهش می دهددر حالی که دانه های نازک TZP و محتوای بالای فاز تترگونال قدرت و سختی استثنایی را فراهم می کنند، این ماده حساس به درجه حرارت است.تمایل به تحول فاز تترگونال به مونوکلینیک در دمای بالا.

• مزایا:قدرت بالا، سفتی برتر، ساختار دانه های خوب
• معایب:حساسیت دمایی، تحول فاز در دمای بالا
• کاربردها:مواد زیستی سرامیکی، ابزار برش دقیق، غشا سلول سوخت

• پزشکی:استفاده شده در مفاصل مصنوعی و ایمپلنت های دندان به دلیل سازگاری بیولوژیکی عالی و مقاومت در برابر فرسایش
• خودرو:اجزای موتور و سیستم خروجی که عملکرد و بهره وری سوخت را بهبود می بخشند
• هوافضا:اجزای موتور هواپیما و سیستم های حفاظت حرارتی
• ابزار برش:ماشینکاری با سرعت بالا برای مواد سخت
• سلول های سوخت:مواد الکترولیت در سلول های سوخت اکسید جامد (SOFC)
• سایر:پوشش های مقاوم به فرسایش، سرامیک های الکترونیکی، سنسورها

• محیط کاربرد (درجه حرارت، شرایط فرسایش)
• الزامات مکانیکی (قوه، سختی، سختی)
• محدودیت های هزینه
• قابلیت اطمینان و توانایی فنی تامین کننده

• افزایش عملکرد از طریق بهبود پردازش و افزودنی های جدید
• توسعه مواد کامپوزیتی که زیرکونیا را با مواد دیگر ترکیب می کنند
• سرامیک زیرکونیا چند منظوره (خواص پیزو الکتریکی، فتوکاتالیز)
• برنامه های هوشمند که حسگرها و سیستم های کنترل را ادغام می کنند

به عنوان یک ماده مهندسی با عملکرد بالا، سرامیک زیرکونیا پتانسیل عظیمی در سراسر صنایع ارائه می دهد. درک خواص آنها،اصلاحات و برنامه های کاربردی امکان انتخاب و استفاده بهینه از موادبا پیشرفت مداوم تکنولوژی، سرامیک زیرکونی در حال آماده شدن برای بازی نقش فزاینده ای در راه حل های مهندسی پیشرفته است.