Цирконий — это неорганический неметаллический материал с превосходными характеристиками и устойчивостью к кислотам и щелочам. Он обладает стабильными химическими свойствами, высокой температурой плавления, низкой теплопроводностью, твердостью, высокой прочностью и износостойкостью. Благодаря своим замечательным свойствам диоксид циркония и продукты из него стали одним из основных сырьевых материалов для конструкционной керамики, функциональной керамики, биокерамики и термобарьерных покрытий, демонстрируя широкие перспективы применения в таких высокотехнологичных областях, как военная промышленность , энергетика, металлургия , электроника. , связь , автомобилестроение и машиностроение.
Применение диоксида циркония в качестве добавки для улучшения характеристик других керамических материалов
I. Влияние на циркониевую керамику
Наноцирконий оказывает положительное влияние на характеристики обычных изделий из диоксида циркония.
Путем добавления различного содержания стабилизатора СаО к электроплавленному сырье моноклинного диоксида циркония путем анализа минерального фазового состава, кажущейся пористости и прочности на сжатие образцов после обжига было определено оптимальное количество стабилизатора СаО. На основе оптимального добавления стабилизатора CaO был добавлен порошок нанодиоксида циркония, чтобы исследовать его влияние на характеристики продуктов из диоксида циркония. Результаты показали, что с увеличением добавления порошка наноциркония к оптимальному образцу (3Ca-PSZ) кажущаяся пористость уменьшается, скорость усадки при спекании увеличивается, а прочность на сжатие улучшается. В частности, когда коэффициент добавления порошка наноциркония достигал 8% по весу, образец имел пористость 9,4%, объемную плотность 5,08 г/см3 и прочность на сжатие 381 МПа. По сравнению с образцом 3Ca-PSZ пористость снизилась на 40 %, объемная плотность увеличилась на 5 %, а прочность на сжатие улучшилась на 70 %.
II. Влияние на глиноземную керамику
Керамика Al2O3 широко используется в механической, электронной и химической промышленности благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая прочность, твердость, износостойкость, стойкость к окислению и термостойкость. Хотя керамика из чистого Al2O3 демонстрирует хорошие характеристики при высоких температурах, она страдает от недостаточной прочности и плохой ударопрочности, что часто приводит к незначительному сколу во время резки. Добавляя диоксид циркония в матрицу Al2O3, керамика из оксида алюминия, упрочненная цирконием (ZTA), может значительно решить эти проблемы.
В керамике ZTA частицы ZrO2 равномерно диспергированы в матрице Al2O3. При изменении температуры частицы ZrO2 претерпевают фазовые переходы, относящиеся к мартенситному фазовому переходу, приводящие к объемному расширению и сдвиговой деформации, приводящие к образованию растягивающих напряжений и микротрещин. Некоторые мелкие частицы ZrO2 под действием растягивающих напряжений образуют микротрещины. Эти трещины локализуются внутри мелких зерен, а их зарождение и распространение потребляют энергию внешнего поля напряжений, тем самым повышая ударную вязкость и прочность керамики Al2O3. Таким образом, керамика ZTA представляет собой перспективный керамический материал.
III. Воздействие на керамику из нитрида кремния
Керамика из нитрида кремния считается наиболее универсальным конструкционным керамическим материалом благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая прочность, твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и сопротивление ползучести. Однако присущая им хрупкость препятствует их широкому применению на рынке. Многие ученые изучали керамику Si3N4, упрочненную ZrO2, и добились значительных успехов.
Композиционные керамические материалы ZrO2-Si3N4 были приготовлены методом спекания без давления и охарактеризованы методом смещения, РЭМ и универсальной машиной для испытаний на растяжение DDL110. Исследовано влияние содержания ZrO2 на плотность, микроструктуру и механические свойства керамики Si3N4. Результаты показали, что с увеличением содержания ZrO2 плотность керамики Si3N4 увеличивается; как прочность на изгиб, так и вязкость разрушения сначала увеличивались, а затем уменьшались. При достижении содержания ZrO2 10 % прочность на изгиб и вязкость разрушения Si3N4 одновременно достигли максимальных значений, составив 362 МПа и 7,0 МПа·м1/2 соответственно.
IV. Воздействие на керамику из нитрида алюминия (AlN)
Керамика AlN , известная своей высокой теплопроводностью, отличными электрическими свойствами и низким коэффициентом теплового расширения, часто считается идеальным материалом для подложек печатных плат. Однако по сравнению с керамическими материалами, такими как Si3N4 иSiC, керамика AlN демонстрирует меньшую вязкость разрушения, что снижает ее термостойкость и увеличивает сложность механической обработки.
Благодаря включению порошка нано-ZrO2 и использованию Y2O3 в качестве добавки для спекания керамика AlN была изготовлена методом спекания горячим прессом. Результаты показали, что фазовый состав горячепрессованной керамики AlN после добавления ZrO2 включает первичную фазу AlN, зернограничную фазу Al5Y3O12 и новую фазу ZrN. С добавлением ZrO2 твердость по Виккерсу керамики AlN горячего прессования практически не изменилась, а вязкость разрушения постепенно улучшилась. Это усиление в первую очередь связано с высокотемпературной реакцией между добавленным ZrO2 и AlN, приводящей к образованию ZrN. Это преобразование приводит к переходу от одного режима межзеренного разрушения в керамике AlN к режиму смешанного разрушения, охватывающему как межзеренные, так и трансзеренные разрушения, что приводит к укреплению границ зерен и последующему улучшению вязкости разрушения.
Заключение
В заключение отметим, что добавление диоксида циркония значительно улучшает характеристики различных видов керамики. Будь то сама циркониевая керамика, глиноземная керамика, керамика из нитрида кремния или керамика из нитрида алюминия, введение соответствующего количества диоксида циркония эффективно улучшает такие ключевые свойства, как ударная вязкость, прочность, ударопрочность, износостойкость и коррозионная стойкость. Эта трансформация не только повышает практичность керамических материалов, но и расширяет сферу их применения в таких высокотехнологичных областях, как военная промышленность, энергетика, металлургия, электроника, телекоммуникации, автомобилестроение и машиностроение. Таким образом, диоксид циркония, как важная керамическая добавка, играет важную роль в улучшении комплексных характеристик керамических материалов.
