Być może słyszałeś o materiale cyrkonowym stosowanym w komponentach przemysłowych lub koronach dentystycznych ze względu na jego wytrzymałość. Ale czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego ta ceramika jest tak wytrzymała? Sekret tkwi w procesie zwanym hartowaniem transformacyjnym. W tym artykule dowiesz się, jak to działa.
Jak działa proces hartowania transformacyjnego cyrkonii?
Znany również jako Dwutlenek cyrkonuCyrkonia jest materiałem lotnym występującym w trzech różnych fazach krystalicznych.
-
Faza jednoskośna (w temperaturze pokojowej)
-
Faza tetragonalna (kiedy temperatura jest wyższa)
-
Faza sześcienna (kiedy temperatura jest bardzo wysoka)
Działa to tak - kiedy cyrkonia (zro2) Po ostygnięciu z wysokich temperatur, materiał przechodzi z fazy tetragonalnej do jednoskośnej. Podczas tego procesu następuje wzrost objętości w zakresie 3-4%, co może powodować pęknięcia materiału. Jest to niepożądane, ale w pewnych warunkach tę przemianę można kontrolować, aby działała na twoją korzyść.
Oto sztuczka - zachowaj ceramika zro2 w fazie tetragonalnej poprzez dodanie stabilizatorów, takich jak tlenek itru (Y₂O₃), magnez (MgO) itp. Elementy te kontrolują wielkość ziarna, zapobiegając niepożądanym przemianom fazowym. W rezultacie twardość tlenku cyrkonu będzie trwała niezależnie od zmian temperatury.
W takim przypadku transformację do fazy jednoskośnej można wywołać tylko poprzez przyłożenie naprężenia. Zatem, gdy zacznie się formować pęknięcie, naprężenie otaczające wierzchołek wywoła jego transformację do fazy jednoskośnej.
Transformacja wiąże się ze zwiększeniem objętości, które uszczelnia pęknięcie, utrudniając jego rozprzestrzenianie się. W skrócie, transformacja hartowanego cyrkonu Posiada mechanizm obronny, który zapobiega pękaniu i pękaniu. Podczas gdy inne materiały słabną, gdy pękają, Ceramika z tlenku cyrkonu staje się silniejszy.
Zastosowania transformacyjnego hartowania cyrkonu w świecie rzeczywistym
-
Implanty stomatologiczne, mosty i korony: Cyrkon jest stosowany w protezach stomatologicznych, ponieważ wytrzymuje obciążenia związane z gryzieniem, nie odpryskując ani nie pękając. Dodatkowo jest biokompatybilny, więc nie wywoła niepożądanych reakcji w organizmie.
-
Narzędzia tnące: Metalurdzy i mechanicy preferują cyrkonię do produkcji noży i ostrzy, ponieważ jest ona niezwykle trwała. Ponadto, lepiej sprawdza się w warunkach szybkiego cięcia, które mogą powodować pękanie innych materiałów.
-
Powłoki termoizolacyjne: Przewodność cieplna tlenku cyrkonu Jest dość niski, co czyni go idealnym izolatorem cieplnym. Z tego powodu inżynierowie lotnictwa i kosmonautyki stosują go jako powłokę termoizolacyjną w silnikach odrzutowych i turbinach gazowych. Chroni on metalowe elementy przed ekstremalnymi temperaturami i cykle termiczne i wydłużyć ich żywotność.
-
Implanty ortopedyczne: Tlenek cyrkonu jest stosowany w endoprotezach stawów biodrowych i kolanowych ze względu na swoją odporność na obciążenia i zużycie podczas ruchów ciała.
-
Części samochodowe: Niektóre elementy silnika, części wtryskiwaczy paliwa i zawory są wykonane z cyrkonii w celu zapewnienia wysokiej odporności na zużycie. Struktura krystaliczna cyrkonii doskonale nadaje się do silników o dużej mocy, ponieważ jest odporny na wysokie temperatury i obciążenia mechaniczne.
-
Narzędzia chirurgiczne: Materiał ten jest używany do produkcji pęset, nożyczek i skalpeli, aby zachować ich ostrość, odporność na korozję i zużycie. Dodatkowo, charakteryzują się długą żywotnością i są odporne na pęknięcia nawet po wielokrotnych cyklach sterylizacji.
-
Uszczelnienia i łożyska przemysłowe: Dwutlenek cyrkonu jest stosowany do produkcji łożysk i uszczelnień, które wytrzymują duże obciążenia, tarcie i trudne warunki pracy.
-
Zegarki luksusowe: Cyrkonia jest wykorzystywana do produkcji wielu znanych Ci luksusowych kopert zegarków. Preferują ten materiał, ponieważ sprawia, że koperty są lekkie, odporne na zarysowania, atrakcyjne wizualnie i trwałe.
W większości przypadków producenci muszą zadowolić się lepszym materiałem pasy ścierne cyrkonowe a ceramiczne. Jednakże, jeśli mowa o zastosowaniach, w których występują duże naprężenia, tlenek cyrkonu wygrywa.
Wyzwania związane z hartowaniem transformacyjnym cyrkonii i ich rozwiązania
Degradacja w niskiej temperaturze (starzenie)
Starzenie się to główne wyzwanie związane z procesem hartowania transformacyjnego. Otóż, gdy cyrkonia jest wystawiona na działanie wilgoci i niskich temperatur, następuje niepożądana transformacja fazowa. W rezultacie staje się słabsza i pojawiają się mikropęknięcia, prowadzące do chropowatości powierzchni.
Rozwiązanie: Używaj materiałów o wysokiej czystości z zaawansowanymi stabilizatorami, takimi jak tlenek ceru (CeO₂) zamiast tradycyjnego tlenku itru (Y₂O₃). Dzięki temu poprawisz odporność tlenku cyrkonu na starzenie.
Cyrkonia staje się krucha, jeśli wielkość ziaren jest zbyt duża
Cyrkonia hartowana transformacyjnie Może stracić swoją wytrzymałość, jeśli rozmiary ziaren nadmiernie się zwiększą w fazie tetragonalnej. Im większe ziarno, tym bardziej podatny będzie materiał na spontaniczne transformacje bez naprężeń zewnętrznych. W rezultacie zauważysz, że materiał stanie się bardziej podatny na pękanie.
Możesz się zastanawiać, dlaczego ceramika cyrkonowa, która ma być wytrzymała, może mieć duże ziarna. Cóż, możliwe, że materiał nie został poddany odpowiedniej obróbce. spiekanie procesów produkcyjnych. W związku z tym cząstki nie będą równomiernie podgrzewane poniżej temperatura topnienia zro2, co skutkuje dużymi rozmiarami ziarna. Takiego tlenku cyrkonu nie można używać w zastosowaniach narażonych na duże obciążenia, takich jak elementy silników czy narzędzia skrawające.
Rozwiązanie: Użyj cyrkonii nanoziarnistej. Alternatywnie, możesz starannie kontrolować temperaturę i czas spiekania, aby uzyskać optymalną wielkość ziarna.
Wysokie koszty produkcji
Produkcja transformacja hartowanego cyrkonu Wymaga skomplikowanych procesów. Trzeba dodać stabilizatory i precyzyjnie spiekać materiał, co jest znacznie trudniejsze, niż się wydaje. Trzeba również zachować ścisłą kontrolę nad wielkością ziarna, stabilnością fazową i czystością. Z tego powodu tlenek cyrkonu jest droższy niż inne materiały ceramiczne.
Rozwiązanie: Naukowcy pracują nad drukiem 3D i poprawą wydajności spiekania w celu obniżenia kosztów produkcji.
Ograniczona odporność na szok termiczny
Chociaż cyrkonia jest wytrzymała, nadal jest podatna na szok termiczny, jeśli zostanie wystawiona na szybkie zmiany temperatury. W takim przypadku na powierzchni pojawią się mikropęknięcia, zwłaszcza jeśli jest to cienki element.
Rozwiązanie: Stosuj stopniowane powłoki termiczne lub ceramika hybrydowa w celu zwiększenia odporności na szok termiczny.
Jakie są najnowsze osiągnięcia w zakresie wzmacniania transformacji?
-
Nanoziarnista cyrkonia – dla wzmocnienia efektu utwardzania
-
Zaawansowane domieszki – poprawiające odporność na starzenie i wytrzymałość
-
Ceramika hybrydowa – połączenie cyrkonii z innymi materiałami w celu uzyskania lepszych wyników w określonych zastosowaniach.
Ostatnie słowa
Proces hartowania transformacyjnego wyróżnia cyrkon od innych materiałów ceramicznych, ponieważ nie tylko zwiększa jego wytrzymałość, ale także samowzmacnia. Kiedy więc następnym razem usłyszysz o cyrkonie, zrozumiesz, dlaczego jest on wystarczająco wytrzymały, aby zapobiec pęknięciom.