Trong cuộc tìm kiếm vật liệu có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt đồng thời duy trì độ bền, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn, gốm zirconia (ZrO₂) đã nổi lên như một ứng cử viên hàng đầu. Vật liệu tiên tiến này đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp nhờ sự kết hợp độc đáo các đặc tính của nó.
Zirconia nổi bật trong số các loại gốm oxit nhờ độ bền vượt trội. Tuy nhiên, zirconia nguyên chất trải qua các biến đổi pha tinh thể trong quá trình thay đổi nhiệt độ, kèm theo sự thay đổi thể tích đáng kể làm suy giảm hiệu suất vật liệu. Để khắc phục hạn chế này, các phụ gia ổn định thường được thêm vào để tạo ra zirconia ổn định. Dựa trên số lượng phụ gia, gốm zirconia được phân loại thành zirconia ổn định hoàn toàn và zirconia ổn định một phần (PSZ).
Bằng cách thêm đủ các chất ổn định (như canxi oxit, magie oxit hoặc yttri oxit), zirconia duy trì pha tinh thể tứ phương hoặc lập phương ở nhiệt độ phòng. Sự ổn định này ngăn chặn sự thay đổi thể tích do biến đổi pha, cải thiện đáng kể độ ổn định của vật liệu.
Lượng chất ổn định được kiểm soát chính xác tạo ra một vi cấu trúc chứa cả pha tứ phương ổn định và pha đơn tà không ổn định. Thành phần độc đáo này mang lại cho PSZ các đặc tính cơ học vượt trội, đặc biệt là độ bền chống nứt cao. Khi vết nứt lan truyền, biến đổi pha do ứng suất xảy ra, trong đó các pha tứ phương không ổn định chuyển thành pha đơn tà có thể tích lớn hơn, tạo ra ứng suất nén tại các đỉnh vết nứt, ngăn chặn sự lan truyền tiếp theo - một hiện tượng được gọi là "tăng cường biến đổi".
Việc ứng dụng rộng rãi gốm zirconia bắt nguồn từ các đặc tính hiệu suất vượt trội của nó:
Gốm Zirconia thể hiện một số độ bền cơ học cao nhất trong số các vật liệu gốm ở nhiệt độ phòng. So với gốm alumina truyền thống, zirconia mang lại độ bền cao hơn cùng với độ bền chống nứt vượt trội, cho phép nó chịu được tải trọng và va đập lớn hơn.
Với điểm nóng chảy đạt 2700°C và nhiệt độ sử dụng tối đa khoảng 1200°C, zirconia thể hiện khả năng chịu nhiệt độ cao vượt trội. Khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời (Δ400°C) cho phép nó chịu được sự biến động nhiệt độ nhanh chóng mà không bị nứt. Độ dẫn nhiệt thấp của vật liệu cũng làm cho nó trở thành một vật liệu cách nhiệt hiệu quả.
Hệ số giãn nở nhiệt của Zirconia gần khớp với thép, tạo điều kiện tích hợp hiệu quả với các bộ phận kim loại trong các ứng dụng nhiệt độ cao mà không gặp sự cố liên quan đến ứng suất - một lợi thế đáng kể so với các loại gốm khác có hệ số giãn nở thấp hơn đáng kể.
Zirconia thể hiện khả năng chống lại hầu hết các tác nhân hóa học một cách đáng kể, mặc dù các trường hợp ngoại lệ đáng chú ý bao gồm tính dễ bị tổn thương đối với axit hydrofluoric và khả năng bị ăn mòn nhẹ bởi các bazơ mạnh (như natri hydroxit), axit nitric và axit hydrochloric. Những hạn chế này đòi hỏi sự cân nhắc cẩn thận về môi trường trong quá trình lựa chọn vật liệu.
Các khoảng trống oxy trong PSZ cho phép dẫn ion oxy tốt ở nhiệt độ cao, cho phép ion oxy di chuyển qua mạng tinh thể dưới điện áp đặt vào. Đặc tính này làm cho zirconia có giá trị cho các ứng dụng cảm biến oxy. Trong môi trường ít oxy, sự giải phóng oxy làm tăng hàm lượng zirconium kim loại, làm thay đổi các đặc tính vật lý như giảm điện trở - một yếu tố quan trọng cần xem xét cho các ứng dụng cách điện.
Các đặc tính vượt trội của Zirconia cho phép ứng dụng đa dạng trong công nghiệp:
Tính tương thích sinh học và độ bền cơ học của Zirconia làm cho nó trở nên lý tưởng cho các khớp nhân tạo, cấy ghép nha khoa và các ứng dụng y tế khác, nơi yêu cầu độ bền lâu dài.
Điểm nóng chảy cao, độ dẫn nhiệt thấp và khả năng chống sốc nhiệt của vật liệu phù hợp cho các lớp lót lò, ống bảo vệ cặp nhiệt điện và các ứng dụng nhiệt độ cao khác.
Độ bền, độ dai và khả năng chống mài mòn của Zirconia làm cho nó trở nên hoàn hảo cho các dụng cụ cắt, khuôn, ổ trục và vòi phun. Ví dụ, dao gốm Zirconia giữ cạnh sắc lâu hơn đáng kể so với các loại thay thế thông thường.
Sử dụng độ dẫn ion của zirconia, cảm biến oxy giám sát mức oxy trong khí thải ô tô và khí thải công nghiệp, cho phép kiểm soát quá trình đốt cháy chính xác.
Chỉ số khúc xạ và tán sắc cao của cubic zirconia tạo ra các đặc tính quang học giống kim cương, làm cho nó phổ biến trong trang sức. Vật liệu này cũng cho thấy tiềm năng trong các công nghệ năng lượng như pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) và tế bào điện phân nhiệt độ cao.
Là một vật liệu kỹ thuật hiệu suất cao, gốm zirconia tiếp tục mở rộng vai trò của mình trong các ngành công nghiệp. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào:
Với những tiến bộ liên tục trong khoa học vật liệu, gốm zirconia sẵn sàng giải quyết các thách thức công nghệ ngày càng khắt khe trên nhiều lĩnh vực.
