ลองนึกภาพวัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงจัด ในขณะเดียวกันก็ทนทานต่อการสึกหรอและการแตกหัก รักษาประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง สิ่งนี้สรุปคุณสมบัติที่โดดเด่นของเซรามิกเซอร์โคเนีย เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂) ในฐานะวัสดุเซรามิกขั้นสูง ได้กลายเป็นสิ่งสำคัญมากขึ้นในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางการแพทย์ อุตสาหกรรมยานยนต์ และอื่นๆ อีกมากมาย ด้วยลักษณะทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์
เซอร์โคเนียคริสตัลเดี่ยวแสดงความโปร่งใสทางแสงที่ดีเยี่ยมและความทนทานต่อความร้อนสูงเป็นพิเศษ แต่ความเหนียวในการแตกหักและความแข็งแรงที่ค่อนข้างต่ำจำกัดการใช้งาน อย่างไรก็ตาม เซรามิกเซอร์โคเนียมีชื่อเสียงในด้านความทนทานและความต้านทานการแตกหักที่โดดเด่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิห้อง ขนาดเกรนละเอียด (ต่ำกว่าไมครอน) ช่วยให้พื้นผิวสำเร็จรูปดีเยี่ยมและการรักษาขอบที่คมชัด
ในขณะที่เซรามิกเซอร์โคเนียยังคงทนทานต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอาจจำกัดอุณหภูมิที่ใช้งานได้ไว้ที่ประมาณ 500°C นอกจากนี้ การนำไฟฟ้าของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
เพื่อเพิ่มคุณสมบัติของเซอร์โคเนีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเหนียว สารทำให้เสถียร เช่น แมกนีเซียมออกไซด์ (MgO), แคลเซียมออกไซด์ (CaO) หรืออิตเทรีย (Y₂O₃) มักจะถูกเติม สารทำให้เสถียรเหล่านี้อำนวยความสะดวกในกระบวนการ "การเพิ่มความเหนียวในการเปลี่ยนแปลง" หลังจากเผาผนึกเบื้องต้นแล้ว เซอร์โคเนียที่เสถียรจะสร้างโครงสร้างคริสตัลแบบลูกบาศก์บางส่วน ซึ่งยังคงอยู่ในสภาวะเมตาเสถียรระหว่างการทำความเย็น เมื่อรอยร้าวแพร่กระจาย คริสตัลเตตระโกนอลจะผ่านการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดจากความเครียด ทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตรที่ดูดซับพลังงานจำนวนมากและช่วยเพิ่มความเหนียวของวัสดุอย่างมาก
อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิสูงอาจทำให้เกิดการตกผลึกใหม่ในเซรามิกเซอร์โคเนียอย่างมีนัยสำคัญ ลดความแข็งแรงและทำให้เกิดการขยายตัวของมิติ 3-7% โดยการควบคุมปริมาณสารทำให้เสถียร สามารถปรับสัดส่วนของคริสตัลเตตระโกนอลเพื่อสร้างสมดุลระหว่างความเหนียวกับการสูญเสียความแข็งแรง
โดยทั่วไปมีแมกนีเซียมออกไซด์ประมาณ 10% และมีสีครีม PSZ มีความแข็งสูงซึ่งยังคงอยู่ได้ที่อุณหภูมิสูง เมื่อเทียบกับเซอร์โคเนียที่เสถียรอย่างเต็มที่ PSZ มีขนาดเกรนที่ใหญ่กว่าและมีราคาถูกกว่า ลักษณะเฉพาะของมันคือสัดส่วนของเฟสเตตระโกนอลที่เปลี่ยนรูปภายใต้ความเครียด ดูดซับพลังงานเพื่อเพิ่มความเหนียว อย่างไรก็ตาม PSZ มีความแข็งแรงค่อนข้างต่ำและมีแนวโน้มที่จะเติบโตของเกรนที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพลดลง
มีอิตเทรียประมาณ 3% ที่มีขนาดเกรนเล็กที่สุด TZP มีโครงสร้างคริสตัลเตตระโกนอลเกือบ 100% ให้ความเหนียวที่อุณหภูมิห้องสูงสุด อย่างไรก็ตาม ระหว่าง 200-500°C การเปลี่ยนแปลงของคริสตัลที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมิติซึ่งช่วยลดความเหนียวลงอย่างมาก ในขณะที่เกรนละเอียดของ TZP และปริมาณเฟสเตตระโกนอลสูงให้ความแข็งแรงและความเหนียวเป็นพิเศษ วัสดุนี้มีความไวต่ออุณหภูมิ มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสเตตระโกนอลเป็นโมโนคลินิกที่อุณหภูมิสูง
ในฐานะวัสดุวิศวกรรมประสิทธิภาพสูง เซรามิกเซอร์โคเนียมีศักยภาพมหาศาลในทุกอุตสาหกรรม การทำความเข้าใจคุณสมบัติ การปรับเปลี่ยน และการใช้งานช่วยให้สามารถเลือกและใช้งานวัสดุได้อย่างเหมาะสม ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง เซรามิกเซอร์โคเนียพร้อมที่จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการแก้ปัญหาทางวิศวกรรมขั้นสูง
