Hãy tưởng tượng một vật liệu kết hợp độ bền của thép với khả năng chống ăn mòn của gốm đồng thời duy trì độ dai gãy đặc biệt. Sự kết hợp đáng chú ý này thách thức sự hiểu biết thông thường về vật liệu kỹ thuật. Gốm zirconia CeramaZirc™ đại diện cho sự tiến bộ đột phá này, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Gốm dioxide zirconium (ZrO₂), thường được gọi là "thép gốm", kết hợp độc đáo độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn. Đáng chú ý nhất, nó sở hữu một trong những giá trị độ dai gãy cao nhất trong số các vật liệu gốm. Thị trường cung cấp nhiều loại zirconia khác nhau, với zirconia ổn định yttria (Y-PSZ) và zirconia ổn định magnesia (Mg-PSZ) là phổ biến nhất. Cả hai đều thể hiện các đặc tính tuyệt vời, mặc dù các ứng dụng cụ thể yêu cầu lựa chọn loại cẩn thận dựa trên điều kiện vận hành và yêu cầu thiết kế. Độ giãn nở nhiệt cao và khả năng chống nứt đặc biệt của Zirconia làm cho nó trở nên lý tưởng để kết nối với các kim loại như thép.
CeramaZirc™ zirconia đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm:
CeramaZirc™ zirconia sử dụng nhiều quy trình sản xuất khác nhau, mỗi quy trình tạo ra các vật liệu có các đặc tính hơi khác nhau, được điều chỉnh cho các ứng dụng cụ thể. Các loại chính bao gồm:
Vật liệu composite gốm zirconia tiên tiến này kết hợp zirconia ổn định một phần với cấu trúc tinh thể được tăng cường. Nó đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ bền uốn, độ cứng và độ dai gãy, đặc biệt xuất sắc trong các ứng dụng liên quan đến va đập cơ học, rung hoặc sốc.
Vật liệu composite mới nhất, bền nhất này kết hợp zirconia ổn định một phần với cấu trúc tinh thể được tăng cường, được làm đặc thông qua ép đẳng nhiệt nóng (HIP) để có độ bền và độ tin cậy vượt trội.
Zirconia ổn định yttria 3 mol% (3YSZ) có độ tinh khiết cao có cấu trúc hạt tinh chế đảm bảo hiệu suất cơ học vượt trội. Phân bố kích thước hạt đồng đều cung cấp các tính chất đẳng hướng tốt hơn.
Zirconia ổn định yttria 3 mol% (3YSZ) có độ tinh khiết cao nhất với cấu trúc hạt siêu mịn mang lại hiệu suất đặc biệt. Làm đặc HIP đạt được mật độ lý thuyết đầy đủ để có độ tin cậy vượt trội.
| Tính chất | Đơn vị | Ultra Tough | Ultra Tough HIP | 3YZ | Nano HIP |
|---|---|---|---|---|---|
| Thành phần | - | Ổn định Ceria | Ổn định Ceria | Ổn định Yttria | Ổn định Yttria |
| Màu sắc | - | Xám | Nâu/Cam | Ngà | Xám |
| Tính chất | Đơn vị | Ultra Tough | Ultra Tough HIP | 3YZ | Nano HIP |
|---|---|---|---|---|---|
| Mật độ | g/cm³ | 5.7 | 5.7 | 6.05 | 6.07 |
| Mô đun Young | GPa | 200 | 200 | 200 | 200 |
| Độ dai gãy K IC | MPa·m 1/2 | 17 | 17 | 8 | 8 |
| Cường độ nén | MPa | 2000 | 2000 | 2000 | 2100 |
| Cường độ uốn | MPa | 1000 | 1000 | 1200 | 1400 |
Zirconia có thể được gia công ở trạng thái xanh, bisque hoặc đặc hoàn toàn. Mặc dù tương đối dễ tạo hình trong điều kiện tiền thiêu kết, quá trình thiêu kết nhiệt độ cao cần thiết để làm đặc hoàn toàn gây ra độ co ngót khoảng 20%. Điều này khiến việc duy trì dung sai chặt chẽ trong gia công tiền thiêu kết là không thể.
Để đạt được dung sai chính xác, cần phải gia công/mài bằng dụng cụ kim cương của vật liệu đã thiêu kết hoàn toàn. Quá trình này sử dụng các dụng cụ phủ kim cương chính xác để mài vật liệu thành các hình dạng mong muốn, mặc dù độ bền vốn có của zirconia khiến quá trình này tốn thời gian và tốn kém.
Trong khi Y-PSZ vượt trội trong các ứng dụng cơ học đòi hỏi khắt khe, nó có thể không phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ rất cao do trượt ranh giới hạt. Tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài có thể gây ra sự chuyển đổi từ pha tứ giác mạnh sang pha đơn tà yếu hơn. Tương tự, môi trường ẩm ướt ấm áp có thể làm giảm hiệu suất thông qua quá trình lão hóa thủy nhiệt. Do đó, YSZ hoạt động tốt nhất trong điều kiện khô, nhiệt độ vừa phải.
M-PSZ mang lại khả năng chịu nhiệt độ và độ ẩm tốt hơn mà không cần di chuyển pha, duy trì độ bền ở những nơi hiệu suất của YSZ sẽ giảm.
Trong khi zirconia tự hào có độ dai gãy cao nhất trong số các loại gốm oxit, alumina cung cấp các giải pháp tiết kiệm chi phí với độ cứng và độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Vật liệu composite alumina tăng cường zirconia (ZTA) kết hợp các đặc tính có lợi của cả hai vật liệu, giữ lại độ cứng của alumina trong khi có được độ dai và độ bền được cải thiện của zirconia.
