Все, что нам нужно знать о стабилизированном цирконии

Цирконий, часто называемый керамической сталью, является прочной технической керамикой, которая используется в различных областях. Он обеспечивает большую износостойкость и прочность на разрыв; он сверхтвердый и имеет хорошую термическую стабильность. Однако цирконий часто стабилизируют, чтобы замедлить его изменяющееся поведение в отношении тепловых нагрузок.

Что такое цирконий?

Диоксид циркония (ZrO2), часто называемый цирконием, в своей чистейшей форме встречается в природной руде бадделеита. Синтетически диоксид циркония также может быть изготовлен из циркона. Циркон (ZrSiO4) часто встречается в минеральных или песчаных месторождениях. Синтетический цирконий (ZrO2) получают путем плавления циркона при очень высокой температуре. Приведен рисунок, представляющий широкий спектр свойств керамики.

Свойства ZrO2: краткий обзор

Знание свойств керамики ZrO2 очень важно. Давайте рассмотрим основные свойства.

Для чего используется цирконий?

Перечислим некоторые из наиболее важных применений ZrO2:

• Для производства клапанов для оборудования высокого давления, таких как шаровые краны и соответствующие седла

• Теплоизолирующее покрытие в дизельных двигателях и огнеупорные материалы

• Датчики кислорода

• Коронки, мосты и другие виды реставрации зубов и протезирования в теле

• Для подготовки закаленных керамических ножей, ниток и проволоки

• Используется как фотокатализатор

• Кубический цирконий используется в качестве синтетического алмаза, который экономически эффективен по сравнению с настоящими алмазами.

• Используется для изготовления мембран в топливных элементах благодаря способности к ионному обмену.

Кубический цирконий: заменитель алмаза

Диоксид циркония в кристаллической форме известен как кубический цирконий. Кубический цирконий известен как искусственный минерал. Иногда его также называют силикатом циркония, поскольку люди маскируют его под цирконий. Кубический цирконий — это металл, который предпочитают люди, которые любят бриллианты и не могут себе позволить их иметь. На мировом рынке кубический цирконий часто используется как синтетический драгоценный камень.

Они изометричны по своей кристаллической природе и являются хорошим алмазным материалом. Плотность кубического циркония составляет от 5,5 до 6 г/см3. Они относительно твердые. Значение твердости по шкале Мооса составляет от 8 до 8,5. Показатель преломления кубического циркония составляет от 2 до 2,18.

Помимо использования в качестве алмаза, кубический цирконий также используется в качестве зубных имплантатов, структурных компонентов в промышленности и протезировании.

Влияние температуры на диоксид циркония (ZrO2) и необходимость стабилизации

Давайте обсудим поведение диоксида циркония при различных температурах эксплуатации. ZrO2 претерпевает фазовый переход под воздействием температуры. При изменении температуры от 1173 °C до 2370 °C ZrO2 трансформируется из моноклинной в тетраэдрическую структуру. Далее, когда температура достигает 2690 °C, ZrO2 становится кубическим, а затем дальнейшее повышение температуры приводит к плавлению ZrO2.

Поскольку фазовый переход также указывает на изменение объема, керамика склонна к растрескиванию и другим деформациям. Поэтому стабилизация ZrO2 очень важна для того, чтобы металл работал при различных температурах применения.

Цирконий, стабилизированный иттрием (Y2O3.ZrO2)

YSZ получают путем стабилизации при комнатной температуре с помощью оксида иттрия (Y2O3). Стабилизация включает замещение Zr4+ более крупными ионами иттрия, такими как Y3+ в кристаллической решетке. Ионный радиус Zr4+ и Y3+ составляет 0,82 А и 0,96 А соответственно.

Обычными стабилизаторами, помимо иттрия, являются магнезия (MgO), церий (CeO2), кальций (CaO), гафний (HfO2) и оксид алюминия (Al2O3). Стабилизированный оксид циркония иттрия (YSZ) имеет кубическую структуру.

Преимущества оксида циркония (ZrO2), стабилизированного иттрием (Y2O3)

Преимущества иттрий-циркония перечислены ниже:

• Они обладают исключительной прочностью

• Керамический YZS обладает высокой термостойкостью, часто используется в качестве огнеупорного и теплоизолирующего покрытия.

• Они устойчивы к коррозии.

• YSZ не подвержен ржавчине и может использоваться там, где есть вероятность окисления.

Применение оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ)

Стоматология

Иттрия стабилизированный цирконий (YSZ) используется в стоматологии из-за его твердости, биосовместимости и химически инертной природы. Они используются в зубных коронках, мостах и некоторых зубных реставрациях. Коррозионная стойкость в присутствии влаги делает иттрий цирконий лучшим стоматологическим компонентом.

Огнеупорный

Чрезвычайная твердость керамики на основе иттрия делает ее идеальным компонентом для огнеупорных и теплозащитных покрытий в двигателях. Цирконий-иттрий также используется для обеспечения теплоизоляции и обработки горячих объектов.

Топливные элементы

Цирконий, стабилизированный иттрием (YSZ), используется в производстве твердотельных топливных элементов. Проводимость, относящаяся к ионам кислорода и замедление электронов, являются основными рассматриваемыми свойствами. Рабочая температура составляет около 800 – 1000 °C.

Другие применения

Другие применения керамики на основе иттрия: они лучше всего подходят для изготовления цемента с чрезвычайной прочностью. YSZ используются в покрытиях. Они также используются в прецизионном шлифовании.

Цирконий, стабилизированный магнием (MSZ)

MSZ по сравнению с стабилизированным иттрием цирконием (YSZ) имеет меньшую теплопроводность и большую стабильность во влажных условиях. Они износостойкие, чрезвычайно прочные и химически инертные. В структуре MSZ имеет тетрагональные выделения с кубическими зернами. Выделения помогают керамике достичь стабильности в ее моноклинной фазе.

Свойства магния и циркония

• Температура эксплуатации выше 220 градусов Цельсия.

• Главные характеристики: высокая термостойкость, износостойкость.

• Меньше теплопроводности

• Тепловое расширение способствует образованию соединения металла с керамикой.

• Устойчивость к кислотам и основаниям

Основные области применения MSZ

• Используется как конструкционная/техническая керамика

• Прецизионные компоненты клапанов и принадлежности

• Насосные втулки и поршни

• Компоненты твердооксидного топлива

• Используется при формовании труб

Цирконий, стабилизированный кальцием (CSZ)

CSZ образуется при добавлении оксида кальция к диоксиду циркония для его стабилизации. Температура плавления такой керамики составляет 2700 °C. Плотность материала составляет около 5,6 г/см3. Они используются в ситуациях, когда требуется высокая термостойкость. Они обеспечивают экстремальную ударную и термическую стойкость.

Другие области применения включают в себя покрытие для обеспечения износостойкости, а также огнеупорные и теплозащитные покрытия.

Цирконий, стабилизированный церием (CSZ)

Этот особый тип керамики, как следует из названия, использует церий для стабилизации циркония в его кристаллической решетке. Они химически устойчивы и в основном используются в приложениях, требующих высоких температур. Добавление церия в них повышает проводимость кислорода. Они используются в топливных элементах и датчиках кислорода.

Плотность керамики находится в диапазоне 6,6 г/см3, а чистота стабилизированного церием циркония составляет около 99 %. Применение CSZ включает высокостабильные шлифовальные материалы в лакокрасочной и смежной промышленности. Они также используются в качестве катализаторов в выхлопных системах в автомобильной промышленности.

Цирконий, стабилизированный оксидом алюминия (ASZ)

ASZ производится путем объединения высококачественного оксида алюминия в кристаллической решетке ZrO2. Он имеет процентное содержание оксида алюминия от 10 % до 50% в зависимости от требуемой марки. Они обеспечивают высокую вязкость разрушения и большую прочность. ASZ используются в автомобильной промышленности, аэрокосмической промышленности и компонентах, используемых в медицинской промышленности.

ASZ также используется для изготовления режущего инструмента. Они используются в приложениях, где требуются высокопроизводительные керамические аналоги. Стабилизация помогает им работать идеально в суровых условиях. Плотность оксида алюминия, используемого в ASZ, составляет около 3,7–3,8 г/см3.

Частично стабилизированный цирконий

Частично стабилизированный цирконий (PSZ) содержит около 10 % MgO. Эта керамика обеспечивает чрезвычайную прочность и работает при более высокой температуре. PSZ имеет тетрагональную структуру, которая при более высокой температуре превращается в моноклинную. Этот тип керамики содержит около 4% - 10 % YSZ.

Преимущества PSZ включают в себя низкую теплопроводность, лучшую структурную стабильность, экстремальную прочность и экономическую эффективность. Они часто используются в термопарах. Если экстремальная прочность является приоритетом, инженеры часто используют PSZ вместо полностью стабилизированного.

Вязкость разрушения PSZ составляет 12 MPam1/2 и смешивается с 10% MgO. Они являются хорошими амортизаторами. Эта керамика используется в качестве штифтов в зоне сварки и часто приносит пользу нефтегазовой промышленности.

Сравнительная таблица выдающихся керамических изделий

Итог

Прогресс в технологии материалов обеспечил наилучший материал для каждой области. Функциональность является ключом, когда дело доходит до выбора керамики нового поколения для желаемого применения. Стабилизация гарантирует, что она будет работать лучше всего при желаемой температуре. Когда дело доходит до адаптивности, без сомнения, стабилизированная циркониевая керамика превосходит все.