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Zirkonoxid-Keramikmaterialien

Zirkonoxid ist ein weißes kristallines Oxid, das aus Zirkonium besteht (Zr) und Sauerstoff (O), mit der chemischen Formel ZrO₂. Reines Zirkonoxid liegt in drei kristallinen Phasen bei unterschiedlichen Temperaturen vor: monoklin (m-ZrO₂), tetragonal (t-ZrO₂), und kubisch (c-ZrO₂).

Dem Übergang von der tetragonalen zur monoklinen Phase folgt eine Volumenzunahme um ca 3-5% die beim Abkühlen zu Rissen in der Keramik führen können. Um dieses Problem anzugehen, werden Stabilisatoren eingesetzt (wie Yttriumoxid UND₂ODER₃, Magnesiumoxid MgO Calciumoxid CaO und so weiter.) werden üblicherweise zur Stabilisierung von Hochtemperaturkristallen eingesetzt, was dazu führt, dass “Phasenumwandlungsverstärkung” Mechanismus und erhöht die Bruchfestigkeit des Materials erheblich.

Zirkonoxid (ZrO₂) Keramiken aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften, nehmen im Bereich der Hochleistungskeramik einen wesentlichen Platz ein. Sie sind in der Branche auch als bekannt “Keramikstahl,” Es wird häufig in High-Tech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, Biomedizin, Elektronik und Kommunikation sowie Präzisionsmaschinen, was es zu einem der wesentlichen Materialien für die moderne Fertigung macht.

Zirkonkeramik

Kristalline Formen von Zirkonoxid

Zirkonoxid(ZrO₂) In der Branche weithin bekannt als “Keramikstahl” in der fortschrittlichen Materialindustrie und zeichnet sich durch eine hervorragende Haltbarkeit aus, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität sowie die Verschleißfestigkeit bis hin zu seinem ausgeprägten polymorphen Charakter. Im Gegensatz zu anderen einphasigen technischen Tonen liegt Zirkonoxid in drei unterschiedlichen allotropen Kristallstrukturen vor (Phasen) je nach Temperatur und chemischen Bedingungen:
  • Kristallstruktur: Gehört zur Raumgruppe P2₁/c, Es weist eine relativ geringe Kristallstruktursymmetrie und eine relativ lockere Atomanordnung auf. Die Elementarzelle hat monokline Symmetrie.
  • Stabilitätsbedingungen:Unter normaler Temperatur und normalem Druck, Zirkoniumdioxid liegt in der monoklinen Phase vor, Dies ist die bei Raumtemperatur stabile Phase von Zirkoniumdioxid.
  • Physikalische Eigenschaften:Die Dichte beträgt ungefähr 5.65-5.68 g/cm³, und es hat eine relativ geringe Härte. Die Kristallstruktur neigt unter Belastung zu Verformungen.
  • Kristallstruktur:Ein Mitglied der P4₂/nmc-Weltraumgruppe und hat eine tetragonale Zelle, und eine geordnete und regelmäßige Anordnung von Atomen, mit der höchsten Symmetrie der Kristalle.
  • Stabilitätsbedingungen:Wenn die Temperatur auf etwa 1150℃ ansteigt, Monoklines Zirkonoxid durchläuft eine Dehnungsphase, die in die tetragonale Phase übergeht. Die tetragonale Phase ist über den Temperaturbereich zwischen 1150℃ und 2370℃ stabil.
  • Physikalische Eigenschaften:Die Dichte liegt bei ca 6.10 g/cm³, und die Härte und Festigkeit sind im Vergleich zu monoklinen erhöht. Die Kristallstruktur weist eine gute Stabilität bei hohen Temperaturen auf .
  • Kristallstruktur:ein Mitglied der Fm3m-Raumgruppe und hat eine ideale kubische Elementarzelle, und eine extrem symmetrische Anordnung der Partikel, Damit ist dies die homogenste Phase der Zirkoniumdioxidkristalle.
  • Stabilitätsbedingungen:Wenn die Temperatur auf 2370℃ steigt, Der tetragonale Anteil des Zirkoniumdioxids geht in die kubische Phase über. Es ist im Bereich von 2370℃-2715℃ stabil (den Punkt zum Schmelzen bringen).
  • Eigenschaften: Es hat eine Dichte von ca 6.27 g/cm³, und hat die höchste Festigkeit, Härte und thermische Stabilität zusätzlich, Seine Struktur zeigt auch bei hohen Temperaturen eine hervorragende Leistung.

Diese drei kristallinen Formen von Zirkonoxid verändern sich je nach Temperatur und chemischer Umgebung ineinander, und wofür sie verwendet werden, auch viel ändern, abhängig von der tatsächlichen Kristallstruktur. Wenn Sie die Temperatur einstellen , enthalten Stabilisatoren, und einige andere Techniken verwenden, dann kann das Zirkonoxid-Kristallgerüst so angepasst werden, dass es den Aufgabenanforderungen verschiedener Bereiche entspricht.

Zirkonpolymorphe
Kristallstrukturmodelldiagramm von Zirkonoxid
Die drei Kristallstrukturen von Zirkonoxid und ihre Umwandlungen.
Die drei Kristallstrukturen von Zirkonoxid und ihre Umwandlungen.

Leistung und Vorteile des Zirkonoxid-Keramikkerns

Zirkonkeramik weist eine extrem hohe Härte und Festigkeit auf, zusammen mit einer außergewöhnlichen Bruchzähigkeit, die anderen Keramiken überlegen ist. Die Zähigkeit dieses Materials beruht auf seinem einzigartigen Phasenwechsel- und Zähigkeitsmechanismus. Wenn Risse entstehen, Tetragonale Zirkonoxidpartikel verwandeln sich bei Belastung in monokline Partikel, Absorbiert die Energie von Rissen und verhindert eine weitere Rissausbreitung.
Eigentum
Typischer Wert
Einheit
Bemerkungen
Dichte
5.85 – 6.05
g/cm³
Hohe Dichte
Vickers-Härte
1200 – 1400
HV
Hervorragende Verschleißfestigkeit
Biegefestigkeit
900 – 1200
MPa
Hohe Belastbarkeit
Bruchzähigkeit
8 – 12
MPa·m^1/2
Hauptmerkmal von “Keramikstahl”
Elastizitätsmodul
200 – 220
GPa
Gute Steifigkeit

Über die mechanischen Eigenschaften hinaus, Zirkonoxidkeramik weist eine bemerkenswerte physikalisch-chemische Stabilität auf.

  1. Hochtemperaturbeständig:Der Schmelzpunkt kann bis zu 2715℃ betragen. Stabiler Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen.
  2. Die Korrosionsbeständigkeit:Eine starke Beständigkeit gegen chemische Substanzen wie Säuren, Alkalien, sowie Salze, die für extreme Umweltbedingungen geeignet sind.
  3. Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit kann nur gering sein 2-3 W/(mK) Dies macht es zu einer hervorragenden Wärmedämmung.
  4. Die thermische Ausdehnung CKoeffizient: Etwa 10.5 × 10⁻⁶/K, sehr nahe am metallischen Material (z.B. Stahl) und Erleichterung der Verbindung von Verbundwerkstoffen und der Verbindung mit metallischen Materialien.
  5. BKompatibilität:Das Material ist ungiftig und nicht reizend, Es weist eine gute Biokompatibilität mit menschlichen Geweben auf, was es zu einem perfekten biomedizinischen Produkt macht Substanz.

Tabelle mit den Eigenschaften von Zirkonoxidkeramik

Eigentum

Einheit

Z-100

Z-200

Z-300

ZM-100

ZB-100

Materialzusammensetzung

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

Farbe

Weiß

Weiß

Weiß

Gelb

Blau

Dichte

g/cm³

6.00

6.03

6.04

5.70

6.03

Biegefestigkeit

MPa

900

950

1100

450

1100

Druckfestigkeit

MPa

2100

2200

2300

1600

2300

Elastizitätsmodul

GPa

200

210

220

210

220

Bruchzähigkeit

MPa·m¹/²

9.0

9.0

5.5

7.0

Poissonzahl

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

Härte (HRA)

HRA

89

90

90

88

90

Vickers-Härte

HV1

1250

1450

1450

1240

1450

Wärmeausdehnungskoeffizient

10⁻⁶/K

10

10

10

10

Wärmeleitfähigkeit

W/(m·K)

3

3

3

3

3

Thermoschockbeständigkeit

ΔT°C

400

400

400

400

Max. Nutzungstemperatur (Oxidierend)

°C

1000

1000

1000

850

1000

Max. Nutzungstemperatur (Reduzierend/inert)

°C

1000

1000

1000

850

1000

Volumenwiderstand (20°C)

Oh·cm

10¹³

10¹²

10¹²

5×10¹³

10¹²

Spannungsfestigkeit

kV/mm

19

15

17

19

17

Dielektrizitätskonstante (1MHz)

28

30

30

27

30

Dielektrischer Verlust (tanδ)

2×10⁻³

2×10⁻³

2×10⁻³

2×10⁻³ (1GHz)

2×10⁻³

Wie wird Zirkonkeramik hergestellt??

Wie wird Aluminiumoxidkeramik hergestellt?

Anwendungen von Zirkonoxidkeramik

Häufig gestellte Fragen zu Aluminiumoxidkeramik

Zirkonkeramik wird wegen seiner hohen Festigkeit und Bruchzähigkeit geschätzt.
Im Vergleich zu den meisten technischen Keramiken, es ist widerstandsfähiger gegen Risse und Stöße.
Dadurch eignet es sich für Anwendungen, bei denen die mechanische Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Zirkonoxidkeramik weist im Allgemeinen eine höhere Bruchzähigkeit auf als Aluminiumoxidkeramik, Dadurch ist es bei mechanischer Beanspruchung weniger spröde.
Aluminiumoxid, Jedoch, kann unter bestimmten Bedingungen eine bessere Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität bieten.
Die beste Wahl hängt davon ab, wie die Komponente im realen Betrieb ausfällt.

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid ist Zirkoniumoxid in Kombination mit Yttriumoxid.
Diese Stabilisierung verbessert die Phasenstabilität und Zähigkeit.
Dadurch behält das Material seine Festigkeit unter Last und thermischer Belastung bei.

Zirkonoxidkeramik weist eine gute Leistung bei erhöhten Temperaturen auf und weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
Es wird häufig dort eingesetzt, wo Wärmedämmung oder thermische Stabilität erforderlich sind.
Für Langzeiteinwirkung oder schnelle Temperaturwechsel, Die Betriebsgrenzen sollten sorgfältig geprüft werden.

Zirkonoxidkeramik kann in Verschleißanwendungen eingesetzt werden, insbesondere dort, wo Schlagfestigkeit wichtig ist.
Für rein abrasive Verschleißbedingungen, andere Keramiken wie Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid
Je nach Systemdesign bietet es möglicherweise eine bessere Leistung.

Zirkonoxidkeramik weist eine hervorragende Beständigkeit gegenüber den meisten Säuren auf, Alkalien, und Industriechemikalien.
Dadurch ist es für die chemische Verarbeitung und korrosive Betriebsumgebungen geeignet
wo Metallkomponenten schnell versagen können.

Ja. Zirkonoxid-Keramikkomponenten können in der Materialqualität individuell angepasst werden, Größe, Form,
Oberflächenbeschaffenheit, und Toleranz.
Die individuelle Anpassung trägt dazu bei, die richtige Passform und stabile Leistung unter bestimmten Betriebsbedingungen sicherzustellen.