Anda mungkin pernah mendengar tentang bahan zirkonia yang digunakan dalam komponen industri atau mahkota gigi karena ketangguhannya. Namun, pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa keramik ini begitu tangguh? Rahasianya terletak pada proses yang disebut transformasi pengerasan. Dalam artikel ini, Anda akan mempelajari cara kerjanya.
Bagaimana Proses Pengerasan Transformasi Zirkonia Bekerja?
Juga dikenal sebagai Zirkonium DioksidaZirkonia merupakan bahan yang mudah menguap yang terdapat dalam tiga fase kristal yang berbeda.
-
Fase monoklinik (ketika berada pada suhu ruangan)
-
Fase tetragonal (ketika suhunya lebih tinggi)
-
Fase kubik (ketika suhunya sangat tinggi)
Cara kerjanya seperti ini - ketika zirkonia (zro2) mendingin akibat suhu tinggi, ia berubah dari fase tetragonal menjadi fase monoklinik. Sementara ini terjadi, terjadi ekspansi volume dalam kisaran 3-4%, yang dapat menyebabkan retakan pada material. Nah, itu tidak diinginkan, tetapi dalam kondisi tertentu, transformasi ini dapat dikendalikan agar sesuai dengan keinginan Anda.
Inilah triknya - pertahankan zro2 keramik dalam fase tetragonalnya dengan menambahkan zat penstabil seperti Yttria (Y₂O₃), Magnesia (MgO), dll. Unsur-unsur ini mengendalikan ukuran butiran untuk mencegah transformasi fase yang tidak diinginkan. Hasilnya, kekerasan zirkonia akan tetap berkelanjutan terlepas dari perubahan suhu.
Bila ini terjadi, Anda dapat memicu transformasinya ke fase monoklinik hanya saat Anda menerapkan tekanan. Jadi, saat retakan mulai terbentuk, tekanan di sekitar ujung retakan akan memicu konversinya ke fase monoklinik.
Transformasi ini disertai dengan ekspansi volume yang menutup retakan, sehingga retakan lebih sulit menyebar. Singkatnya, transformasi zirconia yang diperkuat memiliki mekanisme pertahanan yang mencegahnya retak atau patah. Sementara material lain menjadi lebih lemah saat retak, Keramik zirkonium oksida menjadi lebih kuat.
Aplikasi Dunia Nyata dari Transformasi Pengerasan Zirconia
-
Implan gigi, jembatan, dan mahkota: Zirkonia digunakan untuk prostetik gigi karena dapat menahan tekanan mengunyah tanpa retak atau mengelupas. Selain itu, zirkonia bersifat biokompatibel, sehingga tidak akan menimbulkan reaksi yang merugikan pada tubuh Anda.
-
Alat pemotong: Pekerja logam dan permesinan lebih memilih zirkonia saat membuat pisau dan bilah karena sangat tahan lama. Selain itu, zirkonia bekerja lebih baik saat digunakan dalam kondisi pemotongan berkecepatan tinggi yang dapat menyebabkan material lain retak.
-
Pelapis penghalang termal: Konduktivitas termal zirkonium oksida cukup rendah, yang membuatnya menjadi isolator panas yang sempurna. Karena alasan ini, teknisi kedirgantaraan menggunakannya sebagai lapisan penghalang termal untuk mesin jet dan turbin gas. Ini akan melindungi komponen logam dari panas ekstrem dan siklus termal dan meningkatkan umur pakainya.
-
Implan ortopedi: Zirkonia digunakan untuk sendi pinggul dan pengganti lutut karena ketahanannya terhadap tekanan dan keausan dalam gerakan tubuh.
-
Komponen otomotif: Beberapa komponen mesin, bagian injektor bahan bakar, dan katup Anda dibuat dengan bahan zirkonia untuk ketahanan aus yang tinggi. Struktur kristal zirkonia sangat cocok untuk mesin berperforma tinggi karena dapat menahan suhu tinggi dan tekanan mekanis.
-
Instrumen bedah: Bahan ini digunakan untuk membuat pinset, gunting, dan pisau bedah agar tetap tajam, tidak korosif, dan tahan aus. Selain itu, alat ini memiliki masa pakai yang panjang dan tahan terhadap retakan bahkan setelah beberapa kali siklus sterilisasi.
-
Segel dan bantalan industri: Zirkonium dioksida digunakan untuk membuat bantalan dan segel yang dapat menahan beban berat, gesekan, dan lingkungan yang keras.
-
Jam tangan mewah: Zirkonia digunakan untuk membuat banyak casing jam tangan mewah yang Anda ketahui. Mereka lebih menyukai bahan ini karena membuat casingnya ringan, anti gores, menarik secara visual, dan tahan lama.
Seringkali, produsen harus puas dengan bahan yang lebih unggul sabuk pengamplasan zirkonia vs keramikNamun, zirkonia berada di posisi teratas jika Anda berbicara tentang aplikasi bertekanan tinggi.
Tantangan Pengerasan Transformasi Zirkonia dan Solusinya
Degradasi Suhu Rendah (Penuaan)
Penuaan merupakan tantangan utama yang terkait dengan proses transformasi pengerasan. Anda lihat, saat zirkonia terkena kelembapan dan suhu rendah, transformasi fase yang tidak diinginkan akan terjadi. Akibatnya, zirkonia akan menjadi lebih lemah, dan Anda akan melihat retakan mikro, yang menyebabkan permukaan menjadi kasar.
Solusinya: Gunakan material dengan kemurnian tinggi dengan stabilisator canggih seperti ceria (CeO₂) sebagai pengganti yttria (Y₂O₃) tradisional. Jika Anda melakukan ini, ketahanan zirconia terhadap penuaan akan meningkat.
Zirconia Menjadi Rapuh Jika Ukuran Butirannya Terlalu Besar
Zirkonia yang diperkuat transformasi dapat kehilangan ketangguhannya jika ukuran butiran mengembang secara berlebihan dalam fase tetragonal. Semakin besar butiran, semakin rentan material terhadap transformasi spontan tanpa tekanan eksternal. Akibatnya, Anda akan melihat bahwa material akan menjadi lebih rentan terhadap keretakan.
Anda mungkin bertanya-tanya mengapa keramik zirkonia, yang seharusnya kuat, dapat memiliki ukuran butiran yang besar. Nah, mungkin saja bahan tersebut tidak melewati proses pemanasan yang benar. sintering proses selama pembuatan. Jadi, partikel tidak akan dipanaskan secara merata di bawah titik leleh zro2, yang menghasilkan ukuran butiran yang tinggi. Anda tidak dapat menggunakan zirkonia tersebut untuk aplikasi bertekanan tinggi seperti komponen mesin atau alat pemotong.
Solusinya: Gunakan zirkonia berbutir nano. Atau, Anda dapat mengontrol suhu dan waktu sintering dengan hati-hati untuk mencapai ukuran butiran yang optimal.
Biaya Produksi Tinggi
Produksi transformasi zirconia yang diperkuat melibatkan proses yang rumit. Anda harus menggunakan stabilisator dan teliti dalam menyinter bahan, yang jauh lebih sulit daripada kedengarannya. Anda juga perlu menjaga kontrol ketat terhadap ukuran butiran, stabilitas fase, dan kemurniannya. Karena itu, zirkonia lebih mahal daripada bahan keramik lainnya.
Solusinya: Para peneliti sedang berupaya mengembangkan pencetakan 3D dan meningkatkan efisiensi sintering untuk menurunkan biaya produksi.
Ketahanan terhadap Guncangan Termal Terbatas
Meskipun zirkonia kuat, ia tetap rentan terhadap guncangan termal jika terkena perubahan suhu yang cepat. Saat guncangan termal terjadi, Anda akan melihat retakan mikro di permukaan, terutama jika komponennya tipis.
Solusinya: Gunakan lapisan termal bergradasi atau keramik hibrida untuk meningkatkan ketahanan terhadap guncangan termal.
Apa Saja Kemajuan Terkini dalam Penguatan Transformasi?
-
Zirkonia berbutir nano - untuk meningkatkan efek pengerasan
-
Dopan tingkat lanjut - untuk meningkatkan ketahanan terhadap penuaan dan ketangguhan
-
Keramik hibrida - menggabungkan zirkonia dengan bahan lain untuk kinerja yang lebih baik dalam aplikasi tertentu.
Kata-kata Terakhir
Proses transformasi pengerasan inilah yang membedakan zirkonia dari keramik lain karena tidak hanya membuatnya tangguh tetapi juga memperkuat dirinya sendiri. Jadi, saat Anda mendengar tentang zirkonia, Anda akan tahu mengapa zirkonia cukup tangguh untuk menghentikan keretakan.