Руководство по предотвращению растрескивания стабилизированной керамики из диоксида циркония

Стабилизированный диоксид циркония: повышение долговечности керамики

Частое растрескивание керамических изделий — это не просто производственная проблема, а проблема, в основном, связанная со свойствами материала. Чистый диоксид циркония претерпевает резкие фазовые переходы при изменении температуры, что приводит к внезапным изменениям объема, вызывающим разрушение структуры. Эта проблема привела к разработке стабилизированного диоксида циркония, революционного материала, который решает проблемы долговечности керамики. В этой статье рассматриваются принципы, типы и области применения стабилизированного диоксида циркония, чтобы помочь оптимизировать характеристики керамики.

Диоксид циркония (ZrO₂), широко известный как диоксид циркония, является важным керамическим материалом с критическим недостатком: он существует в трех кристаллических фазах при разных температурах. Ниже 1173°C он моноклинный; между 1173°C-2370°C — тетрагональный; и от 2370°C-2690°C — кубический. Наиболее проблематичный переход происходит при охлаждении из тетрагональной фазы в моноклинную, вызывая расширение объема примерно на 9%. Это расширение создает внутренние напряжения, которые приводят к растрескиванию, что серьезно ограничивает использование чистого диоксида циркония в высокотемпературных применениях.

Ученые разработали стабилизацию, вводя специальные добавки, которые поддерживают кубическую фазу диоксида циркония в более широком диапазоне температур. Этот процесс работает за счет ионного замещения — замены некоторых ионов Zr⁴⁺ (радиус: 0,82 Å) в кристаллической решетке на немного большие ионы металлов, такие как Y³⁺ (0,96 Å), Ca²⁺, Mg²⁺ или Ce⁴⁺. Эти легирующие добавки образуют твердые растворы, которые изменяют энергию решетки, подавляя фазовые переходы и стабилизируя кубическую структуру даже при комнатной температуре.

Содержащий 3-8 мол.% Y₂O₃, YSZ доминирует на рынке благодаря исключительной ионной проводимости, высокотемпературной прочности и коррозионной стойкости. Основные области применения включают твердооксидные топливные элементы (SOFC), датчики кислорода, теплозащитные покрытия и биомедицинские имплантаты. В SOFC электролиты YSZ эффективно транспортируют ионы кислорода для электрохимических реакций.

С 8-12 мол.% CaO, CSZ обеспечивает хорошую термическую стабильность, но страдает от механической слабости и старения из-за миграции ионов кальция. В основном используется в футеровке печей, тиглях и огнеупорных материалах, его применение ограничено ухудшением характеристик при высоких температурах.

Аналогично CSZ, но с 8-12 мол.% MgO, MSZ превосходит по термостойкости, но имеет низкую прочность и проблемы со стабильностью фаз. Он хорошо подходит для огнеупорных материалов, керамических фильтров и высокотемпературных изоляторов, хотя сегрегация магния влияет на долгосрочные характеристики.

Содержащий 10-20 мол.% CeO₂, CeSZ выделяется своей окислительно-восстановительной активностью и каталитическими характеристиками. Его переменные степени окисления церия (Ce³⁺/Ce⁴⁺) обеспечивают хранение кислорода, что делает его идеальным для автомобильных катализаторов, электродов топливных элементов и химических датчиков. Дополнительные преимущества включают термическую стабильность и устойчивость к спеканию.

Используя небольшие добавки Al₂O₃, ASZ улучшает поведение при спекании и механическую прочность, подавляя рост зерен. Области применения охватывают режущие инструменты, износостойкие компоненты и передовую биокерамику, где уточненная зернистая структура повышает твердость и плотность.

При выборе стабилизированного диоксида циркония учитывайте:

• Требования к применению: Высокотемпературные конструкционные применения требуют YSZ или ASZ, в то время как каталитические применения выигрывают от CeSZ.
• Содержание стабилизатора: Более высокие уровни легирующих добавок улучшают стабильность фаз, но могут снизить механические свойства.
• Характеристики порошка: Равномерный размер частиц, высокая чистота и хорошая дисперсия обеспечивают лучшую спекаемость.
• Процесс спекания: Оптимизированные температурные профили и скорости нагрева имеют решающее значение для получения плотной, высокопроизводительной керамики.

Как универсальная функциональная керамика, стабилизированный диоксид циркония продолжает расширять области применения в различных отраслях промышленности. Правильный выбор материала и оптимизация обработки могут значительно повысить надежность и производительность продукции.