Điều gì giúp vật liệu chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, áp suất cao và môi trường ăn mòn trong khi vẫn duy trì độ bền vững chắc? Câu trả lời có thể nằm ở gốm sứ zirconia. Được mệnh danh là “thép của gốm sứ”, vật liệu tiên tiến này đang cách mạng hóa các ngành công nghiệp từ hàng không vũ trụ đến các ứng dụng y sinh thông qua các đặc tính đặc biệt của nó.
Zirconium dioxide (ZrO₂), thường được gọi là zirconia, đại diện cho một loại vật liệu phi kim loại vô cơ quan trọng trong danh mục gốm sứ kỹ thuật. Ở nhiệt độ phòng, nó xuất hiện dưới dạng chất rắn màu trắng với ba cấu trúc tinh thể riêng biệt:
Zirconia tinh khiết trải qua những thay đổi đáng kể về thể tích (co lại 3-5%) trong quá trình chuyển pha giữa các cấu trúc tinh thể này ở nhiệt độ cao, dẫn đến nứt vật liệu. Để khắc phục hạn chế này, các ứng dụng công nghiệp thường sử dụng kỹ thuật ổn định bằng cách sử dụng các chất phụ gia như yttria (Y₂O₃), magie (MgO) hoặc canxia (CaO) để duy trì cấu trúc tinh thể mong muốn ở nhiệt độ phòng.
Việc sử dụng gốm zirconia ngày càng tăng bắt nguồn từ sự kết hợp độc đáo giữa các đặc tính vật lý và hóa học của chúng:
Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp tiếp cận để khắc phục những hạn chế về chuyển pha của zirconia và nâng cao hiệu suất:
Kết hợp zirconia với các loại gốm sứ khác (ví dụ alumina) tạo ra vật liệu composite có độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn được tăng cường.
Bảng sau đây so sánh các đặc tính chính của gốm zirconia ổn định khác nhau:
| Tài sản | Zircalon 5 (YSZ) | Zircalon 10 (YSZ) | Zircalon 20 (MSZ) | Zircalon 30 (Phức hợp) |
|---|---|---|---|---|
| Mật độ (g/cc) | 6.13 | 6.05 | 6.05 | >5,62 |
| Độ bền uốn (MPa) | 1000 | 1200 | 1200 | 1000 |
| Độ bền gãy xương (MPa·m½) | 4.0 | 5.0 | 10,0 | 10,0 |
| Khả năng chống sốc nhiệt (ΔT°C) | 250 | 250 | 350 | 250 |
| Nhiệt độ dịch vụ tối đa (° C) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
Gốm sứ Zirconia phục vụ các chức năng quan trọng trên nhiều lĩnh vực:
Bảng sau đây trình bày chi tiết về hiệu suất của zirconia đối với các tác nhân hóa học khác nhau:
| Hóa chất | Sự tập trung | Nhiệt độ | Phơi bày | Sự phản ứng lại |
|---|---|---|---|---|
| Axit clohydric | 33% | Đun sôi | 100 giờ | Yếu đuối |
| Axit sunfuric | 98% | Đun sôi | 100 giờ | Yếu đuối |
| Natri Hydroxit | 50% | Đun sôi | 100 giờ | Không có |
| Axit Flohydric | 100% | Đun sôi | 100 giờ | Mạnh |
Khi khoa học vật liệu tiến bộ, gốm zirconia tiếp tục phát triển thông qua các kỹ thuật sản xuất được cải tiến và các công thức tổng hợp mới. Sự kết hợp độc đáo giữa độ bền cơ học, độ ổn định nhiệt và khả năng tương thích sinh học của chúng đảm bảo việc áp dụng ngày càng tăng trên các ứng dụng kỹ thuật hiệu suất cao. Nghiên cứu đang tiến hành tập trung vào việc tăng cường độ ổn định pha, khả năng chống đứt gãy và khả năng đa chức năng để giải quyết các môi trường hoạt động ngày càng đòi hỏi khắt khe.
