La zirconio è un materiale inorganico non metallico con prestazioni superiori e resistenza agli acidi e agli alcali. Vanta proprietà chimiche stabili, un elevato punto di fusione, bassa conduttività termica, durezza, elevata robustezza e resistenza all'usura. Grazie alle sue straordinarie proprietà, la zirconia e i suoi prodotti sono diventati una delle materie prime primarie per ceramica strutturale, ceramica funzionale, bioceramica e rivestimenti a barriera termica, presentando ampie prospettive di applicazione in campi high-tech come quello militare , energetico, metallurgico , elettronico. , comunicazioni , automobilistico e macchinari.
L'applicazione della zirconio come additivo per migliorare le prestazioni di altri materiali ceramici
I. Impatto sulla ceramica di zirconio
La nanozirconia esercita un'influenza positiva sulle prestazioni dei normali prodotti in zirconia.
Aggiungendo diversi contenuti di stabilizzante di CaO alla materia prima di zirconia monoclina elettrofusa, la quantità ottimale di stabilizzante di CaO è stata determinata analizzando la composizione della fase minerale, la porosità apparente e la resistenza alla compressione dei campioni dopo la cottura. Sulla base dell'aggiunta ottimale dello stabilizzante CaO, è stata incorporata polvere di nano-zirconia per studiarne l'effetto sulle prestazioni dei prodotti in zirconio. I risultati hanno mostrato che con l’aumento dell’aggiunta di polvere di nano-zirconia al campione ottimale (3Ca-PSZ), la porosità apparente è diminuita, il tasso di contrazione da sinterizzazione è aumentato e la resistenza alla compressione è migliorata. Nello specifico, quando il rapporto di aggiunta della polvere di nano-zirconia ha raggiunto l'8% in peso, il campione ha mostrato una porosità del 9,4%, una densità apparente di 5,08 g/cm3 e una resistenza alla compressione di 381 MPa. Rispetto al campione 3Ca-PSZ, la porosità è diminuita del 40%, la densità apparente è aumentata del 5% e la resistenza alla compressione è migliorata del 70%.
II. Impatto sulla ceramica di allumina
Le ceramiche Al2O3 sono ampiamente utilizzate nelle industrie meccaniche, elettroniche e chimiche grazie alle loro eccellenti proprietà come elevata resistenza, durezza, resistenza all'usura, resistenza all'ossidazione e resistenza allo shock termico. Sebbene le ceramiche Al2O3 pure presentino buone prestazioni alle alte temperature, soffrono di una tenacità insufficiente e di una scarsa resistenza agli urti, che spesso provocano lievi scheggiature durante il taglio. Aggiungendo la zirconia alla matrice Al2O3, le ceramiche in allumina rinforzata con zirconio (ZTA) possono migliorare significativamente questi problemi.
Nella ceramica ZTA , le particelle ZrO2 sono uniformemente disperse nella matrice Al2O3. Al variare della temperatura, le particelle di ZrO2 subiscono transizioni di fase, appartenenti alla transizione di fase martensitica, con conseguente espansione volumetrica e deformazione di taglio, portando alla formazione di stress di trazione e microfessure. Alcune particelle di ZrO2 di piccole dimensioni generano microfessure sotto stress di trazione. Queste crepe sono confinate all'interno di grani di piccole dimensioni e la loro formazione e propagazione consumano energia dal campo di stress esterno, migliorando così la tenacità e la resistenza della ceramica Al2O3. Pertanto, la ceramica ZTA rappresenta un materiale ceramico promettente.
III. Impatto sulla ceramica al nitruro di silicio
Le ceramiche al nitruro di silicio sono considerate il materiale ceramico strutturale più completo grazie alle loro eccellenti proprietà come elevata resistenza, durezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e resistenza al creep. Tuttavia, la loro intrinseca fragilità ne ostacola un’ampia applicazione sul mercato. Numerosi studiosi hanno studiato le ceramiche Si3N4 temprate con ZrO2 e hanno compiuto progressi significativi.
I materiali ceramici compositi ZrO2-Si3N4 sono stati preparati mediante sinterizzazione senza pressione e caratterizzati utilizzando il metodo dello spostamento, SEM e la macchina per prove di trazione universale DDL110. È stata studiata l'influenza del contenuto di ZrO2 sulla densità, sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche delle ceramiche Si3N4. I risultati hanno indicato che all’aumentare del contenuto di ZrO2, aumentava la densità delle ceramiche Si3N4; sia la resistenza alla flessione che la tenacità alla frattura inizialmente sono aumentate e poi sono diminuite. Quando il contenuto di ZrO2 ha raggiunto il 10%, la resistenza alla flessione e la tenacità alla frattura di Si3N4 hanno raggiunto i loro valori massimi contemporaneamente, essendo rispettivamente 362MPa e 7,0MPa·m1/2.
IV. Impatto sulla ceramica al nitruro di alluminio (AlN).
Le ceramiche AlN , rinomate per la loro elevata conduttività termica, eccellenti proprietà elettriche e basso coefficiente di dilatazione termica, sono spesso considerate il materiale ideale per i substrati di confezionamento dei circuiti. Tuttavia, rispetto ai materiali ceramici come Si3N4 eSiC, le ceramiche AlN presentano una minore tenacità alla frattura, che ne compromette la resistenza allo shock termico e aumenta la difficoltà di lavorazione.
Incorporando polvere di nano-ZrO2 e utilizzando Y2O3 come ausilio per la sinterizzazione, le ceramiche AlN sono state fabbricate mediante sinterizzazione con pressa a caldo. I risultati hanno rivelato che la composizione della fase delle ceramiche AlN pressate a caldo dopo l'aggiunta di ZrO2 comprende la fase AlN primaria, la fase al contorno del grano Al5Y3O12 e una nuova fase ZrN. Con l'aggiunta di ZrO2, la durezza Vickers della ceramica AlN pressata a caldo è rimasta sostanzialmente invariata, mentre la sua resistenza alla frattura è gradualmente migliorata. Questo miglioramento è principalmente attribuito alla reazione ad alta temperatura tra ZrO2 e AlN aggiunti, che porta alla formazione di ZrN. Questa trasformazione porta al passaggio da una modalità di frattura intergranulare singola nella ceramica AlN a una modalità di frattura mista che comprende sia fratture intergranulari che transgranulari, rafforzando i bordi dei grani e successivamente migliorando la tenacità alla frattura.
Conclusione
In conclusione, l'aggiunta di zirconia migliora significativamente le prestazioni di vari tipi di ceramica. Che si tratti delle stesse ceramiche di zirconio, ceramiche di allumina, ceramiche di nitruro di silicio o ceramiche di nitruro di alluminio, l'incorporazione di una quantità adeguata di zirconia migliora efficacemente proprietà chiave come tenacità, resistenza, resistenza agli urti, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione. Questa trasformazione non solo migliora la praticità dei materiali ceramici, ma amplia anche il loro ambito di applicazione in campi high-tech come quello militare, energetico, metallurgico, elettronico, delle telecomunicazioni, automobilistico e dei macchinari. Pertanto, la zirconia, in quanto additivo ceramico essenziale, svolge un ruolo significativo nel migliorare le prestazioni globali dei materiali ceramici.
