Циркониевая керамика приобретает популярность в инженерных приложениях

Что позволяет материалу выдерживать экстремальные температуры, высокое давление и агрессивные среды, сохраняя при этом прочность, как у камня? Ответ может крыться в циркониевой керамике. Получившая название «сталь керамики», этот передовой материал совершает революцию в различных отраслях, от аэрокосмической до биомедицинской, благодаря своим исключительным свойствам.

Диоксид циркония (ZrO₂), широко известный как цирконий, представляет собой важный класс неорганических неметаллических материалов в категории технической керамики. При комнатной температуре он выглядит как белое твердое вещество с тремя различными кристаллическими структурами:

• Моноклинная (m-ZrO₂)
• Тетрагональная (t-ZrO₂)
• Кубическая (c-ZrO₂)

Чистый цирконий претерпевает значительные изменения объема (сжатие на 3-5%) во время фазовых переходов между этими кристаллическими структурами при повышенных температурах, что приводит к растрескиванию материала. Чтобы преодолеть это ограничение, в промышленных применениях обычно используются методы стабилизации с использованием добавок, таких как иттрий (Y₂O₃), магний (MgO) или кальций (CaO), для поддержания желаемых кристаллических структур при комнатной температуре.

Растущее распространение циркониевой керамики обусловлено уникальным сочетанием физических и химических характеристик:

• Превосходная прочность и ударная вязкость: Среди технической керамики цирконий обладает самой высокой механической прочностью, а ударная вязкость значительно превосходит другие керамические материалы после модификации.
• Чрезвычайная твердость: Уступая только алмазу и карбиду бора, цирконий обладает выдающейся износостойкостью.
• Высокотемпературная стабильность: Правильно стабилизированный цирконий сохраняет отличные механические свойства и химическую стабильность при температурах выше 1000°C.
• Химическая стойкость: Демонстрирует стабильность по отношению к большинству кислот, щелочей и растворов солей, хотя уязвим для плавиковой кислоты.
• Теплоизоляция: Низкая теплопроводность делает его идеальным для теплозащитных покрытий и изоляционных применений.
• Биосовместимость: Нетоксичные и безопасные для тканей свойства позволяют широко использовать его в медицинских имплантатах и стоматологических приложениях.
• Электрические свойства: Высокое удельное сопротивление в качестве изолятора, с ионной проводимостью, достигаемой путем легирования для применения в твердооксидных топливных элементах.

Исследователи разработали несколько подходов для преодоления ограничений фазового перехода циркония и повышения производительности:

• Иттрий-стабилизированный цирконий (YSZ): Наиболее широко используемый вариант, обеспечивающий отличную прочность и ударную вязкость при высоких температурах для теплозащитных покрытий и компонентов топливных элементов.
• Магний-стабилизированный цирконий (MSZ): Обеспечивает превосходную термостойкость для огнеупорных применений.

• Трансформационное упрочнение: Использует индуцированное напряжением мартенситное превращение для поглощения энергии в частично стабилизированном цирконии.
• Дисперсионное упрочнение: Включает частицы вторичной фазы (Al₂O₃, SiC) для изменения путей распространения трещин.
• Армирование волокном: Использует керамические волокна для перекрытия трещин и предотвращения их распространения.

Сочетание циркония с другими керамическими материалами (например, глиноземом) создает композитные материалы с повышенной прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью.

В следующей таблице сравниваются основные свойства различных стабилизированных циркониевых керамик:

Циркониевая керамика выполняет критические функции в нескольких секторах:

• Медицинские технологии: Замена суставов, зубные имплантаты и хирургические инструменты выигрывают от биосовместимости и износостойкости.
• Износостойкие компоненты: Подшипники, уплотнения и режущие инструменты используют исключительную твердость и долговечность.
• Высокотемпературные системы: Тигли, футеровки печей и сопла для термического напыления используют термическую стабильность.
• Энергетические системы: Электролиты твердооксидных топливных элементов используют ионную проводимость.
• Аэрокосмическая промышленность: Теплозащитные покрытия защищают компоненты турбин от экстремальных температур.

В следующей таблице подробно описаны характеристики циркония по отношению к различным химическим агентам:

По мере развития материаловедения циркониевая керамика продолжает развиваться благодаря улучшенным технологиям производства и новым композитным составам. Их уникальное сочетание механической прочности, термической стабильности и биосовместимости обеспечивает растущее применение в высокопроизводительных инженерных приложениях. Текущие исследования сосредоточены на повышении фазовой стабильности, устойчивости к разрушению и многофункциональных возможностей для работы во все более сложных эксплуатационных условиях.