เซรามิกซิรโคเนียได้รับความนิยมในการใช้งานด้านวิศวกรรม

อะไรที่ทำให้วัสดุสามารถทนต่ออุณหภูมิสูง ความดันสูง และสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนได้ ในขณะที่ยังคงความทนทานแข็งแกร่ง? คำตอบอาจอยู่ในเซรามิกเซอร์โคเนีย วัสดุขั้นสูงนี้ได้รับการขนานนามว่าเป็น "เหล็กกล้าแห่งเซรามิก" กำลังปฏิวัติอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่การบินและอวกาศไปจนถึงการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ ด้วยคุณสมบัติพิเศษของมัน

เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂) หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อเซอร์โคเนีย เป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะที่สำคัญในกลุ่มเซรามิกทางเทคนิค ที่อุณหภูมิห้อง จะปรากฏเป็นของแข็งสีขาวที่มีโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันสามแบบ:

• Monoclinic (m-ZrO₂)
• Tetragonal (t-ZrO₂)
• Cubic (c-ZrO₂)

เซอร์โคเนียบริสุทธิ์มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมาก (หดตัว 3-5%) ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟสระหว่างโครงสร้างผลึกเหล่านี้ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งนำไปสู่การแตกร้าวของวัสดุ เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ การใช้งานในอุตสาหกรรมมักใช้เทคนิคการทำให้เสถียรโดยใช้สารเติมแต่ง เช่น yttria (Y₂O₃), magnesia (MgO) หรือ calcia (CaO) เพื่อรักษาโครงสร้างผลึกที่ต้องการที่อุณหภูมิห้อง

การนำเซรามิกเซอร์โคเนียมาใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้นเกิดจากการผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของลักษณะทางกายภาพและทางเคมี:

• ความแข็งแรงและความเหนียวที่เหนือกว่า: ในบรรดาเซรามิกทางเทคนิค เซอร์โคเนียแสดงความแข็งแรงทางกลสูงสุด โดยมีความเหนียวในการแตกหักสูงกว่าวัสดุเซรามิกอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญหลังจากการปรับเปลี่ยน
• ความแข็งสูง: เซอร์โคเนียมีอันดับต่ำกว่าเพชรและโบรอนคาร์ไบด์เล็กน้อย ให้ความทนทานต่อการสึกหรอที่โดดเด่น
• เสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง: เซอร์โคเนียที่เสถียรอย่างเหมาะสมยังคงรักษาคุณสมบัติทางกลและความเสถียรทางเคมีได้ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000°C
• ความทนทานต่อสารเคมี: แสดงความเสถียรต่อกรด ด่าง และสารละลายเกลือส่วนใหญ่ แม้ว่าจะอ่อนแอต่อกรดไฮโดรฟลูออริกก็ตาม
• ฉนวนกันความร้อน: การนำความร้อนต่ำทำให้เหมาะสำหรับสารเคลือบกั้นความร้อนและการใช้งานฉนวน
• ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ: คุณสมบัติที่ไม่เป็นพิษและเป็นมิตรต่อเนื้อเยื่อช่วยให้ใช้งานได้อย่างแพร่หลายในการปลูกถ่ายทางการแพทย์และการใช้งานทางทันตกรรม
• คุณสมบัติทางไฟฟ้า: มีความต้านทานสูงในฐานะฉนวน โดยสามารถนำไฟฟ้าไอออนิกได้โดยการเจือสารสำหรับการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง

นักวิจัยได้พัฒนาแนวทางหลายประการเพื่อเอาชนะข้อจำกัดในการเปลี่ยนแปลงเฟสของเซอร์โคเนียและเพิ่มประสิทธิภาพ:

• Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ): รูปแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ให้ความแข็งแรงและเหนียวที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยมสำหรับการเคลือบกั้นความร้อนและส่วนประกอบเซลล์เชื้อเพลิง
• Magnesia-Stabilized Zirconia (MSZ): ให้ความทนทานต่อการกระแทกจากความร้อนที่เหนือกว่าสำหรับการใช้งานทนไฟ

• การเพิ่มความเหนียวจากการเปลี่ยนแปลง: ใช้การเปลี่ยนแปลงมาร์เทนซิติกที่เกิดจากความเครียดเพื่อดูดซับพลังงานในเซอร์โคเนียที่เสถียรบางส่วน
• การเสริมความแข็งแรงแบบกระจาย: รวมอนุภาคเฟสทุติยภูมิ (Al₂O₃, SiC) เพื่อเปลี่ยนเส้นทางการแพร่กระจายของรอยร้าว
• การเสริมแรงด้วยเส้นใย: ใช้เส้นใยเซรามิกเพื่อเชื่อมรอยร้าวและป้องกันการขยายตัว

การรวมเซอร์โคเนียกับเซรามิกอื่นๆ (เช่น อะลูมินา) สร้างวัสดุคอมโพสิตที่มีความแข็งแรง ความเหนียว และความทนทานต่อการสึกหรอที่เพิ่มขึ้น

ตารางต่อไปนี้เปรียบเทียบคุณสมบัติหลักของเซรามิกเซอร์โคเนียที่เสถียรต่างๆ:

เซรามิกเซอร์โคเนียทำหน้าที่สำคัญในหลายภาคส่วน:

• เทคโนโลยีทางการแพทย์: การเปลี่ยนข้อต่อ รากฟันเทียม และเครื่องมือผ่าตัดได้รับประโยชน์จากความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความทนทานต่อการสึกหรอ
• ส่วนประกอบการสึกหรอ: ตลับลูกปืน ซีล และเครื่องมือตัดใช้ประโยชน์จากความแข็งและความทนทานเป็นพิเศษ
• ระบบอุณหภูมิสูง: เบ้าหลอม ซับในเตาเผา และหัวฉีดพ่นความร้อนใช้ประโยชน์จากความเสถียรทางความร้อน
• ระบบพลังงาน: อิเล็กโทรไลต์เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็งใช้ประโยชน์จากการนำไฟฟ้าไอออนิก
• การบินและอวกาศ: สารเคลือบกั้นความร้อนช่วยปกป้องส่วนประกอบของกังหันจากความร้อนสูง

ตารางต่อไปนี้แสดงรายละเอียดประสิทธิภาพของเซอร์โคเนียกับสารเคมีต่างๆ:

ในขณะที่วิทยาศาสตร์วัสดุมีความก้าวหน้า เซรามิกเซอร์โคเนียยังคงพัฒนาต่อไปผ่านเทคนิคการผลิตที่ดีขึ้นและสูตรคอมโพสิตใหม่ การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของความแข็งแกร่งทางกล ความเสถียรทางความร้อน และความเข้ากันได้ทางชีวภาพทำให้มั่นใจได้ว่าจะมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้นในการใช้งานทางวิศวกรรมที่มีประสิทธิภาพสูง การวิจัยอย่างต่อเนื่องมุ่งเน้นไปที่การเสริมสร้างความเสถียรของเฟส ความต้านทานการแตกหัก และความสามารถในการทำงานหลายอย่างเพื่อจัดการกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่ต้องการมากขึ้นเรื่อยๆ