ジルコニア素材は、その強靭性から工業部品や歯科用クラウンに使用されていると聞いたことがあるかもしれません。しかし、なぜこのセラミックがこれほどまでに優れた強度を持つのか、疑問に思ったことはありませんか？その秘密は、変態強化と呼ばれるプロセスにあります。この記事では、その仕組みをご紹介します。
ジルコニア変態強化プロセスはどのように機能しますか?
別名 二酸化ジルコニウムジルコニアは、3 つの異なる結晶相で存在する揮発性物質です。
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単斜晶相（室温のとき）
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正方晶相（高温時）
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立方晶相（非常に高温のとき）
それはこのように機能します - ジルコニア（ZRO2） 高温から冷却すると、正方晶から単斜晶へと相転移します。この過程で、3-4%の範囲内で体積膨張が起こり、材料に亀裂が生じる可能性があります。これは望ましくない現象ですが、特定の条件下では、この相転移を制御でき、有利に働く可能性があります。
コツはこれだ - ZRO2セラミック イットリア（Y₂O₃）、マグネシア（MgO）などの安定剤を添加することで、ジルコニアは正方晶相に保持されます。これらの元素は結晶粒径を制御し、不要な相転移を防ぎます。その結果、ジルコニアの硬度は温度変化に関わらず一定に保たれます。
このような場合、応力を加えた場合にのみ単斜晶相への変態が誘発されます。つまり、亀裂が形成され始めると、先端を取り囲む応力が単斜晶相への変態を誘発するのです。
この変化は体積膨張を伴い、亀裂を塞ぎ、亀裂が広がりにくくします。簡単に言うと、 変態強化ジルコニア 割れやひび割れを防ぐ防御機構を備えています。他の材料はひび割れると強度が弱くなりますが、 酸化ジルコニウムセラミック 強くなります。
ジルコニアの変換強化の実世界への応用
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歯科インプラント、ブリッジ、クラウン： ジルコニアは、噛む際のストレスにも耐え、欠けたり割れたりしないため、歯科補綴物に使用されています。さらに、生体適合性が高いため、体に悪影響が出ることもありません。
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切削工具: 金属加工業者や機械工は、ナイフや刃物の製造にジルコニアを好んで使用します。ジルコニアは耐久性に優れているためです。また、他の材料では割れてしまう可能性のある高速切削条件でも、ジルコニアは優れた性能を発揮します。
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遮熱コーティング： 酸化ジルコニウムの熱伝導率 非常に低いため、断熱材として最適です。そのため、航空宇宙エンジニアはジェットエンジンやガスタービンの遮熱コーティングとしてこれを使用しています。金属部品を極度の高熱から保護します。 熱サイクリング 寿命を延ばします。
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整形外科用インプラント： ジルコニアは、体の動きに対する耐ストレス性と耐摩耗性を備えているため、股関節や膝関節の置換に使用されます。
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自動車部品: エンジン部品、燃料噴射部品、バルブの一部は、耐摩耗性に優れたジルコニア素材で作られています。 ジルコニアの結晶構造 高温と機械的ストレスに耐えられるため、高性能エンジンに最適です。
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手術器具: この素材は、ピンセット、はさみ、メスなどの製造に使用され、鋭利で耐腐食性、耐摩耗性を維持します。さらに、長寿命で、複数回の滅菌サイクルを経ても破損しにくいという特徴もあります。
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工業用シールおよびベアリング： 二酸化ジルコニウムは、重い負荷、摩擦、過酷な環境に耐えられるベアリングやシールを作るために使用されます。
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高級腕時計: ご存知の通り、ジルコニアは多くの高級腕時計ケースに使用されています。この素材が好まれるのは、ケースが軽量で傷に強く、見た目も美しく、耐久性に優れているからです。
多くの場合、メーカーは優れた素材で妥協せざるを得ません。 ジルコニアサンディングベルトとセラミックサンディングベルトただし、高応力の用途に関しては、ジルコニアが優れています。
ジルコニア変態強化の課題とその解決策
低温劣化（エイジング）
変態強化プロセスにおける最大の課題は、経年変化です。ジルコニアは湿気や低温にさらされると、望ましくない相変態を起こします。その結果、強度が低下し、微小な亀裂が生じ、表面が荒れてしまいます。
解決策: 従来のイットリア（Y₂O₃）の代わりに、セリア（CeO₂）などの高度な安定剤を使用した高純度材料を使用してください。これにより、ジルコニアの耐老化性が向上します。
ジルコニアは粒径が大きすぎると脆くなる
変態強化ジルコニア 正方晶相の結晶粒径が過度に拡大すると、靭性が低下する可能性があります。結晶粒径が大きいほど、外部応力がなくても自発的に変態しやすくなります。その結果、材料が割れやすくなることがわかります。
ジルコニアセラミックは強度が高いはずなのに、なぜ粒子径が大きいのかと疑問に思うかもしれません。それは、材料が適切な処理を受けていないことが原因かもしれません。 焼結 製造工程で粒子が均一に加熱されないため、 ZRO2融点その結果、粒径が大きくなります。このようなジルコニアは、エンジン部品や切削工具などの高応力用途には使用できません。
解決策: ナノ粒子ジルコニアを使用してください。あるいは、焼結温度と時間を慎重に制御することで、最適な粒径を実現することもできます。
高い製造コスト
の生産 変態強化ジルコニア ジルコニアの製造には複雑な工程が必要です。安定剤を添加し、材料を正確に焼結させる必要があり、これは想像以上に困難です。また、粒径、相安定性、純度を厳密に管理する必要もあります。そのため、ジルコニアは他のセラミック材料よりも高価です。
解決策: 研究者たちは、製造コストを下げるために、3Dプリンティングと焼結効率の向上に取り組んでいます。
耐熱衝撃性が限られている
ジルコニアは強靭ですが、急激な温度変化にさらされると熱衝撃を受けやすくなります。特に薄い部品の場合、熱衝撃が発生すると表面に微小な亀裂が生じます。
解決策: 段階的な熱コーティングを使用するか、 ハイブリッドセラミックス 耐熱衝撃性を向上させるためです。
変革強化における最近の進歩は何ですか?
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ナノ粒子ジルコニア - 強化効果を高める
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高度なドーパント - 老化耐性と靭性を向上させる
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ハイブリッドセラミック - ジルコニアと他の材料を組み合わせることで、特定の用途でより優れたパフォーマンスを実現します。
結びの言葉
ジルコニアは、この変態強化プロセスによって他のセラミックスと区別されます。このプロセスは、ジルコニアに弾力性を与えるだけでなく、自己強化ももたらすからです。ですから、次にジルコニアについて耳にしたときには、なぜひび割れを食い止めるほどの強度があるのか、きっとお分かりいただけるでしょう。