Цирконий , характеризующийся высокими температурами плавления и кипения, а также твердостью, является изолятором при комнатной температуре, но демонстрирует отличную электропроводность при высоких температурах. Следовательно, он имеет огромный потенциал для применения в различных областях, таких как механика, электроника , оптика, биология и катализ, выступая как в качестве конструкционных, так и функциональных керамических материалов. Более того, диоксид циркония играет ключевую «вспомогательную роль» в производстве современной керамики, где добавление небольшого количества диоксида циркония может значительно улучшить характеристики других керамических материалов.
I. Композитная керамика на основе глинозема, упрочненная цирконием
Свойство ZrO2 к мартенситному фазовому превращению повышает вязкость разрушения и прочность на изгиб керамических материалов, придавая им превосходные механические свойства. Кроме того, низкая теплопроводность диоксида циркония и превосходная стойкость к термическому удару могут решить проблему хрупкости керамических материалов. Таким образом, при упрочнении главным образом используется мартенситное фазовое превращение ZrO2, которое поглощает энергию, возникающую при переходе от тетрагональной структуры к моноклинной, препятствуя распространению и расширению трещин.
На основе этого механизма введение диоксида циркония в керамику Al2O3 приводит к получению керамики из оксида алюминия, упрочненной цирконием (ZTA) . ZrO2 проявляет эффекты повышения ударной вязкости при фазовом превращении и микротрещин в керамике Al2O3 , упрочняя и повышая ударную вязкость материала. В результате керамика ZTA считается одним из наиболее перспективных материалов в конструкционной керамике.
II. Влияние циркония на термостойкость магнезиальной керамики
Магнезиальная керамика обладает превосходной термостойкостью, электроизоляцией и высокой устойчивостью к шлакам щелочных металлов. Он химически инертен по отношению к таким металлам, как магний, никель, уран, торий, цинк, алюминий, железо, медь и платина, что делает его пригодным для таких применений, как тигли для выплавки металлов, формы для литья металлов, защитные трубки для высокотемпературных термопар. и футеровочные материалы для высокотемпературных печей. Однако в условиях быстрого изменения температуры (термического удара) прочность магнезиальной керамики существенно снижается, что приводит к растрескиванию или даже хрупкости, тем самым снижая безопасность и надежность ее эксплуатации. Поэтому повышение термостойкости магнезиальной керамики и продление срока ее службы при высоких температурах имеют важное практическое значение.
Исследования показали, что добавление наномоноклинного диоксида циркония может улучшить микроструктурную однородность магнезиальной керамики, снизить температуру спекания и способствовать уплотнению образца. Образцы с добавками наномоноклинного диоксида циркония демонстрируют повышенную термостойкость за счет упрочнения микротрещин, упрочнения фазовым превращением и упрочнения прогибами микротрещин.
III. Влияние циркония на керамические связующие для сверхтвердых абразивов
Низкотемпературные керамические связующие являются важнейшим компонентом при получении высокопроизводительных сверхтвердых абразивов на керамической связке (алмаз, кубический нитрид бора), и их свойства напрямую влияют на общие характеристики этих абразивов. Основные требования к характеристикам керамических связующих в сверхтвердых абразивах включают высокую прочность, низкие температуры размягчения и плавления, малые коэффициенты теплового расширения и хорошие смачивающие свойства при высоких температурах. Кроме того, из-за высокой твердости и износостойкости сверхтвердых абразивных частиц большинство керамических связующих для сверхтвердых абразивов используются при относительно высоких скоростях вращения. Поэтому, чтобы абразивные частицы могли полностью проявить свои шлифовальные свойства, керамические связующие для сверхтвердых абразивов должны обладать высокой прочностью.
Используя систему B2O3-Al2O3-SiO2 в качестве базовой керамической связующей и добавляя различные количества нано-ZrO2 в качестве добавки, исследователи изучили влияние ее содержания на структуру и свойства керамических связующих. Результаты показывают, что с увеличением содержания нано-ZrO2 общие характеристики достигают своего пика, когда содержание составляет 8%, демонстрируя прочность на изгиб 63,41 МПа и твердость по Роквеллу 129,8 HRC. Керамическое связующее также демонстрирует равномерное распределение пор и хорошую микроструктуру.
В другом исследовании исследователи приготовили керамические связующие путем включения ZrO2 в стекло на основе Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 и исследовали влияние содержания ZrO2 на характеристики абразивов из кубического нитрида бора. Результаты показали, что с увеличением содержания ZrO2 высокотемпературная текучесть снижается, а ZrO2 способствует кристаллизации в стеклофазе. При содержании ZrO2 1% твердость абразивной тест-полоски достигает HRB110,6, а прочность на изгиб увеличивается на 27,9% до 68,23 МПа. Кроме того, значительно повышается износостойкость: коэффициент износа увеличивается на 119%.
IV. Влияние циркония на керамику на основе корунда
Керамические регенеративные тела на основе корунда обладают рядом преимуществ, включая превосходную химическую стабильность, устойчивость к высоким температурам, устойчивость к эрозии и превосходную прочность. Однако они склонны к хрупкости и плохой термостойкости. В настоящее время существует множество литературы, посвященной повышению термостойкости и упрочнению керамики на основе корунда с помощью нано-ZrO2.
В ходе исследований свойств керамических регенеративных тел на основе корунда, упрочненных нано-цирконием, было обнаружено, что нано-ZrO2, как частица второй фазы, диспергируется внутри керамической матрицы, повышая ее прочность и термостойкость. Упрочняющий эффект нано-ZrO2 тесно связан с его кристаллической фазой. Когда весь введенный ZrO2 находится в кубической фазе, упрочнение фазового превращения не происходит, что приводит лишь к незначительному упрочнению микротрещин. И наоборот, присутствие соответствующего количества тетрагональных и моноклинных фаз ZrO2 приводит к синергетическому эффекту фазового превращения упрочнения и упрочнения микротрещин, значительно улучшая ударную вязкость керамического регенеративного тела на основе корунда.
V. Влияние циркония на микроструктуру и механические свойства горячепрессованной AlN-керамики
Керамика AlN , известная своей высокой теплопроводностью, отличными электрическими свойствами и низким коэффициентом теплового расширения, является идеальным материалом для подложек печатных плат. Однако по сравнению с керамическими материалами, такими как Si3N4 и SiC , керамика AlN демонстрирует меньшую вязкость разрушения, что снижает ее термостойкость и увеличивает сложность обработки.
Исследования, включающие добавление порошка нано-ZrO2 в сочетании со вспомогательными веществами для спекания Y2O3, были проведены для изготовления керамики AlN посредством спекания горячим прессованием. Результаты показывают, что фазы керамики AlN горячего прессования включают первичную фазу AlN, зернограничную фазу Al5Y3O12 и новую фазу ZrN. При добавлении ZrO2 твердость по Виккерсу керамики AlN, полученной горячим прессованием, практически не меняется, а вязкость разрушения постепенно улучшается.
VI. Влияние легирования цирконием на структуру и диэлектрические свойства керамики BaTiO3
Электронная керамика, как разновидность электромагнитной функциональной керамики, в последние годы привлекла значительное внимание. Среди них керамика из титаната бария широко используется в различных датчиках и чип-конденсаторах благодаря своей высокой диэлектрической проницаемости и превосходным сегнетоэлектрическим свойствам. Однако температура Кюри чистого титаната бария составляет 120°C, что ограничивает его применимость при комнатной температуре. Чтобы улучшить диэлектрические свойства керамических материалов на основе титаната бария, исследователи изучили легирование различных оксидов, что привело к частичному пониманию взаимосвязи между оксидами легирующих добавок и свойствами материала.
Используя BaCO3, TiO2 и ZrO2 в качестве сырья, исследователи методом твердофазного спекания получили керамику из цирконата-титаната бария (BZT) с различным содержанием Zr. Обнаружено, что с увеличением легирования ZrO2 рост зерен керамики БЦТ становится более равномерным, с плотно расположенными частицами, четкими контурами и высокой поверхностной плотностью. При уровне легирования Zr4+ 20% в условиях комнатной температуры керамика BZT демонстрирует самую высокую диэлектрическую проницаемость и самые низкие диэлектрические потери.
Заключение
Помимо вышеупомянутой керамики, многочисленные исследователи также исследовали влияние диоксида циркония в других керамических системах. Например, исследования показали, что ZrO2 в основном существует как вторая фаза на границах зерен, подавляя рост зерен, не вступая в реакцию с зернами ZnO. Кроме того, было обнаружено, что ZrO2 эффективно способствует спеканию микроволновой диэлектрической керамики BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3 при низких температурах.
