เซอร์โคเนียที่เสถียร: การเพิ่มความทนทานของเซรามิก
การแตกร้าวบ่อยครั้งในผลิตภัณฑ์เซรามิกไม่ได้เป็นเพียงปัญหาการผลิตเท่านั้น—แต่มีรากฐานมาจากคุณสมบัติของวัสดุ เซอร์โคเนียบริสุทธิ์มีการเปลี่ยนแปลงเฟสอย่างมากในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างกะทันหันซึ่งทำให้เกิดความล้มเหลวของโครงสร้าง ความท้าทายนี้ได้นำไปสู่การพัฒนาเซอร์โคเนียที่เสถียร ซึ่งเป็นวัสดุที่ก้าวล้ำที่แก้ปัญหาความทนทานของเซรามิก บทความนี้จะสำรวจหลักการ ประเภท และการใช้งานของเซอร์โคเนียที่เสถียร เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซรามิก
เซอร์โคเนีย (ZrO₂) หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ เป็นวัสดุเซรามิกที่สำคัญที่มีข้อบกพร่องที่สำคัญ: มันมีอยู่ในสามเฟสคริสตัลที่อุณหภูมิต่างกัน ต่ำกว่า 1173°C เป็นแบบโมโนคลินิก ระหว่าง 1173°C-2370°C เป็นแบบเตตระโกนัล และตั้งแต่ 2370°C-2690°C เป็นแบบลูกบาศก์ การเปลี่ยนแปลงที่สร้างปัญหามากที่สุดเกิดขึ้นเมื่อเย็นลงจากเฟสเตตระโกนัลเป็นเฟสโมโนคลินิก ทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตรประมาณ 9% การขยายตัวนี้สร้างความเครียดภายในที่นำไปสู่การแตกร้าว ซึ่งจำกัดการใช้เซอร์โคเนียบริสุทธิ์อย่างรุนแรงในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง
นักวิทยาศาสตร์พัฒนาการทำให้เสถียรโดยการแนะนำสารเติมแต่งเฉพาะที่รักษาสถานะลูกบาศก์ของเซอร์โคเนียในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น กระบวนการนี้ทำงานผ่านการแทนที่ไอออน—การแทนที่ไอออน Zr⁴⁺ บางส่วน (รัศมี: 0.82 Å) ในโครงสร้างผลึกด้วยไอออนโลหะที่ใหญ่กว่าเล็กน้อย เช่น Y³⁺ (0.96 Å), Ca²⁺, Mg²⁺ หรือ Ce⁴⁺ สารเจือปนเหล่านี้สร้างสารละลายแข็งที่เปลี่ยนแปลงพลังงานแลตทิซ ยับยั้งการเปลี่ยนแปลงเฟส และทำให้โครงสร้างลูกบาศก์คงที่แม้ที่อุณหภูมิห้อง
มี Y₂O₃ 3-8 mol% YSZ ครองตลาดด้วยการนำไฟฟ้าไอออนิกที่ยอดเยี่ยม ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง และความต้านทานการกัดกร่อน การใช้งานหลัก ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFCs), เซ็นเซอร์ออกซิเจน, สารเคลือบกั้นความร้อน และรากฟันเทียมทางการแพทย์ ใน SOFCs อิเล็กโทรไลต์ YSZ ขนส่งไอออนออกซิเจนอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า
มี CaO 8-12 mol% CSZ ให้ความเสถียรทางความร้อนที่ดี แต่ต้องทนทุกข์ทรมานจากความอ่อนแอทางกลไกและการเสื่อมสภาพเนื่องจากการย้ายถิ่นของไอออนแคลเซียม ส่วนใหญ่ใช้ในการบุเตาหลอม เบ้าหลอม และวัสดุทนไฟ การใช้งานถูกจำกัดด้วยการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง
คล้ายกับ CSZ แต่มี MgO 8-12 mol% MSZ เก่งในการทนต่อความร้อนช็อก แต่มีความแข็งแรงต่ำและปัญหาความเสถียรของเฟส ทำหน้าที่ได้ดีในวัสดุทนไฟ ตัวกรองเซรามิก และฉนวนอุณหภูมิสูง แม้ว่าการแยกตัวของแมกนีเซียมจะส่งผลต่อประสิทธิภาพในระยะยาว
มี CeO₂ 10-20 mol% CeSZ โดดเด่นในด้านกิจกรรมรีดอกซ์และประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยา สถานะออกซิเดชันของซีเรียที่แปรผันได้ (Ce³⁺/Ce⁴⁺) ช่วยให้สามารถกักเก็บออกซิเจนได้ ทำให้เหมาะสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยารถยนต์ ขั้วไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง และเซ็นเซอร์เคมี ประโยชน์เพิ่มเติม ได้แก่ ความเสถียรทางความร้อนและความต้านทานต่อการเผาผนึก
การใช้ Al₂O₃ เพิ่มเติมเล็กน้อย ASZ ช่วยปรับปรุงพฤติกรรมการเผาผนึกและความแข็งแรงทางกลไกในขณะที่ยับยั้งการเติบโตของเกรน การใช้งานครอบคลุมเครื่องมือตัด ส่วนประกอบทนต่อการสึกหรอ และไบโอเซรามิกขั้นสูง ซึ่งโครงสร้างเกรนที่ผ่านการขัดเกลาช่วยเพิ่มความแข็งและความหนาแน่น
เมื่อเลือกเซอร์โคเนียที่เสถียร ให้พิจารณา:
ในฐานะที่เป็นเซรามิกฟังก์ชันที่หลากหลาย เซอร์โคเนียที่เสถียรยังคงขยายการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ การเลือกวัสดุและการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลที่เหมาะสมสามารถเพิ่มความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก
