La zirconia , caratterizzata dai suoi elevati punti di fusione e di ebollizione, nonché dalla sua durezza, è un isolante a temperatura ambiente ma presenta un'eccellente conduttività elettrica alle alte temperature. Di conseguenza, ha un immenso potenziale per applicazioni in vari campi come la meccanica, l'elettronica , l'ottica, la biologia e la catalisi, fungendo da materiali ceramici sia strutturali che funzionali. Inoltre, la zirconia svolge un fondamentale “ruolo di supporto” nella produzione di ceramiche avanzate, dove l’aggiunta di una piccola quantità di zirconia può migliorare significativamente le prestazioni di altri materiali ceramici.
I. Ceramica composita in allumina temprata con zirconio
La proprietà di trasformazione di fase martensitica di ZrO2 migliora la tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione dei materiali ceramici, conferendo loro eccellenti proprietà meccaniche. Inoltre, la bassa conduttività termica della zirconia e l'eccellente resistenza allo shock termico possono alleviare il problema della fragilità dei materiali ceramici. In sintesi, la tenacizzazione utilizza principalmente la trasformazione di fase martensitica di ZrO2, che assorbe l'energia generata durante la transizione dalla struttura tetragonale alla struttura monoclina, inibendo la propagazione e l'estensione della cricca.
Sulla base di questo meccanismo, l’introduzione della zirconia nella ceramica Al2O3 dà come risultato la ceramica in allumina rinforzata con zirconio (ZTA) . ZrO2 mostra effetti di indurimento per trasformazione di fase e di indurimento da microfessurazioni nelle ceramiche Al2O3 , rafforzando e indurendo il materiale. Di conseguenza, la ceramica ZTA è considerata uno dei materiali più promettenti nella ceramica strutturale.
II. L'impatto della zirconio sulla resistenza allo shock termico della ceramica di magnesia
La ceramica di magnesia possiede un'eccellente resistenza alle alte temperature, isolamento elettrico e forte resistenza alle scorie di metalli alcalini. È chimicamente inerte nei confronti di metalli quali magnesio, nichel, uranio, torio, zinco, alluminio, ferro, rame e platino, il che lo rende adatto per applicazioni quali crogioli per la fusione dei metalli, stampi per la fusione dei metalli, tubi protettivi per termocoppie ad alta temperatura e materiali di rivestimento per forni ad alta temperatura. Tuttavia, in condizioni di rapidi cambiamenti di temperatura (shock termico), la resistenza della ceramica di magnesia diminuisce significativamente, portando a scheggiature o addirittura fragilità, riducendo così la sicurezza e l'affidabilità del servizio. Pertanto, il miglioramento della resistenza agli shock termici delle ceramiche di magnesia e il prolungamento della loro durata alle alte temperature sono di notevole importanza pratica.
La ricerca ha rivelato che l’aggiunta di zirconia nano-monoclina può migliorare l’uniformità microstrutturale delle ceramiche di magnesia, ridurre le temperature di sinterizzazione e promuovere la densificazione del campione. I campioni con aggiunte di zirconia nano-monoclina mostrano una maggiore resistenza allo shock termico attraverso l'indurimento delle microfessure, l'indurimento per trasformazione di fase e l'indurimento per deflessione delle microfessure.
III. L'impatto della zirconio sui leganti ceramici per abrasivi superduri
I leganti ceramici a bassa temperatura sono un componente cruciale nella preparazione di abrasivi superduri con legante ceramico ad alte prestazioni (diamante, nitruro di boro cubico) e le loro proprietà influenzano direttamente le prestazioni complessive di questi abrasivi. I requisiti prestazionali di base per i leganti ceramici negli abrasivi superduri includono elevata resistenza, basse temperature di rammollimento e fusione, piccoli coefficienti di dilatazione termica e buone proprietà di bagnabilità alle alte temperature. Inoltre, a causa dell’elevata durezza e resistenza all’usura delle particelle abrasive superdure, la maggior parte dei leganti ceramici per abrasivi superduri vengono utilizzati a velocità di rotazione relativamente elevate. Pertanto, per garantire che le particelle abrasive possano esercitare pienamente le loro prestazioni di macinazione, i leganti ceramici per abrasivi superduri devono possedere un'elevata resistenza.
Utilizzando il sistema B2O3-Al2O3-SiO2 come legante ceramico di base e aggiungendo quantità variabili di nano-ZrO2 come additivo, i ricercatori hanno studiato l'effetto del suo contenuto sulla struttura e sulle proprietà dei leganti ceramici. I risultati indicano che con l'aumento del contenuto di nano-ZrO2, la prestazione complessiva raggiunge il suo picco quando il contenuto è dell'8%, esibendo una resistenza alla flessione di 63,41 MPa e una durezza Rockwell di 129,8 HRC. Il legante ceramico presenta inoltre una distribuzione uniforme dei pori e una buona microstruttura.
In un altro studio, i ricercatori hanno preparato leganti ceramici incorporando ZrO2 in un vetro a base di Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 e hanno studiato l’effetto del contenuto di ZrO2 sulle prestazioni degli abrasivi al nitruro di boro cubico. I risultati hanno mostrato che all’aumentare del contenuto di ZrO2, la fluidità alle alte temperature diminuisce e ZrO2 promuove la cristallizzazione nella fase vetrosa. Quando il contenuto di ZrO2 è dell'1%, la durezza della striscia reattiva abrasiva raggiunge HRB110,6 e la resistenza alla flessione aumenta del 27,9% fino a 68,23 MPa. Inoltre, la resistenza all'usura migliora significativamente, con un aumento del rapporto di usura del 119%.
IV. L'impatto della zirconio sulla ceramica a base di corindone
I corpi rigenerativi ceramici a base di corindone possiedono numerosi vantaggi, tra cui eccellente stabilità chimica, resistenza alle alte temperature, resistenza all'erosione e resistenza superiore. Tuttavia, sono soggetti a fragilità e scarsa resistenza agli shock termici. Attualmente esiste una vasta letteratura che esplora il miglioramento della resistenza agli shock termici e l’indurimento delle ceramiche a base di corindone attraverso nano-ZrO2.
Attraverso la ricerca sulle proprietà dei corpi rigenerativi ceramici a base di corindone rinforzato con nano-zirconia, è stato scoperto che il nano-ZrO2, come particella di seconda fase, è disperso all'interno della matrice ceramica, migliorandone la forza e la resistenza agli shock termici. L'effetto indurente del nano-ZrO2 è strettamente correlato alla sua fase cristallina. Quando tutto lo ZrO2 introdotto è in fase cubica, non si verifica l'indurimento per trasformazione di fase, con conseguente indurimento solo minore delle microfessurazioni. Al contrario, la presenza di una quantità adeguata di fasi ZrO2 tetragonali e monocline porta ad un effetto sinergico di indurimento per trasformazione di fase e indurimento delle microfessure, migliorando significativamente la tenacità del corpo rigenerativo ceramico a base di corindone.
V. L'impatto della zirconio sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche delle ceramiche AlN pressate a caldo
Le ceramiche AlN , rinomate per la loro elevata conduttività termica, eccellenti proprietà elettriche e basso coefficiente di dilatazione termica, sono materiali ideali per i substrati di confezionamento dei circuiti. Tuttavia, rispetto ai materiali ceramici come Si3N4 e SiC , le ceramiche AlN presentano una minore tenacità alla frattura, che ne compromette la resistenza allo shock termico e aumenta la difficoltà di lavorazione.
È stata condotta una ricerca che prevede l'aggiunta di polvere di nano-ZrO2, combinata con adiuvanti di sinterizzazione Y2O3, per fabbricare ceramiche AlN mediante sinterizzazione con pressa a caldo. I risultati indicano che le fasi della ceramica AlN pressata a caldo includono la fase primaria AlN, la fase al contorno del grano Al5Y3O12 e la nuova fase ZrN. Con l'aggiunta di ZrO2, la durezza Vickers della ceramica AlN pressata a caldo rimane sostanzialmente invariata, mentre la sua resistenza alla frattura migliora gradualmente.
VI. L'impatto del drogaggio della zirconio sulla struttura e sulle proprietà dielettriche delle ceramiche BaTiO3
La ceramica elettronica, come tipo di ceramica funzionale elettromagnetica, ha raccolto un'attenzione significativa negli ultimi anni. Tra questi, le ceramiche al titanato di bario sono ampiamente utilizzate in vari sensori e condensatori a chip grazie alla loro elevata costante dielettrica e alle eccellenti proprietà ferroelettriche. Tuttavia, la temperatura Curie del titanato di bario puro è 120°C, il che ne limita l'applicabilità a temperatura ambiente. Per migliorare le proprietà dielettriche dei materiali ceramici a base di titanato di bario, i ricercatori hanno esplorato il drogaggio di vari ossidi, ottenendo una comprensione parziale della relazione tra ossidi droganti e proprietà dei materiali.
Utilizzando BaCO3, TiO2 e ZrO2 come materie prime, i ricercatori hanno preparato ceramiche di bario zirconato titanato (BZT) con diversi contenuti di Zr attraverso la sinterizzazione in fase solida. È stato osservato che con l'aumento del drogaggio con ZrO2, la crescita dei grani delle ceramiche BZT diventa più regolare, con particelle disposte strettamente, contorni chiari e un'elevata densità superficiale. Con un livello di drogaggio Zr4+ del 20% in ambienti a temperatura ambiente, le ceramiche BZT presentano la costante dielettrica più elevata e la perdita dielettrica più bassa.
Conclusione
Oltre alle ceramiche sopra menzionate, numerosi ricercatori hanno studiato l'influenza della zirconia anche in altri sistemi ceramici. Ad esempio, gli studi hanno rivelato che ZrO2 esiste principalmente come seconda fase ai confini dei grani, inibendo la crescita dei grani senza reagire con i grani di ZnO. Inoltre, è stato scoperto che ZrO2 promuove efficacemente la sinterizzazione di ceramiche dielettriche a microonde BaCo0,194Zn0,116Nb0,69O3 a basse temperature.
