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Zirkonoxid - JiFeng-Keramik

Zirkonoxid

Zirkonoxid

Zirconia Ceramic Materials

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). Der Übergang von der tetragonalen Phase zur monoklinen Phase geht mit einer Volumenausdehnung von ca. einher 3-5%, Dies kann beim Abkühlen zu Rissen in der Keramik führen. Um dieses Problem zu überwinden, Stabilisatoren (wie Yttriumoxid Y₂O₃, Magnesiumoxid MgO, Calciumoxid CaO, usw.) werden typischerweise zur Stabilisierung der Hochtemperatur-Kristallphasen zugesetzt, Dadurch wird ein erreicht “Phasenumwandlungsverstärkung” Mechanismus und verbessert die Bruchzähigkeit des Materials erheblich.

Zirkonoxid (ZrO₂) Keramik, aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften, nehmen im Bereich der Hochleistungskeramik eine entscheidende Stellung ein. Bekannt als “Keramikstahl,” Es wird häufig in High-Tech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, Biomedizin, Elektronik und Kommunikation, und Präzisionsmaschinen, Damit ist es einer der unverzichtbaren Schlüsselwerkstoffe in der modernen Industrie.

Zirkonkeramik

Kristalline Formen von Aluminiumoxid

Aluminiumoxid (Al₂O₃) Es ist bekannt, dass es in mehr als zehn kristallinen Strukturen vorkommt, einschließlich α, C, B, oder, D, ich, H, κ-Al₂O₃ und eine amorphe Phase. Unter diesen, die häufigsten und wichtigsten sind α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃, Und β-Al₂O₃. Diese verschiedenen Formen von Aluminiumoxid weisen erhebliche Unterschiede in Struktur und Eigenschaften auf, die ihre jeweiligen Einsatzgebiete bestimmen.

  • 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: Es gehört zur P4₂/nmc-Raumgruppe, mit einer tetragonalen Elementarzelle und einer regelmäßigeren und geordneteren Atomanordnung, hohe Kristallsymmetrie aufweisen.
  • Stabilitätsbedingungen: Wenn die Temperatur auf etwa 1150℃ ansteigt, monoklines Zirkonoxid durchläuft einen Phasenübergang, Übergang in die tetragonale Phase. Die tetragonale Phase ist im Temperaturbereich von 1150℃-2370℃ stabil.
  • Physikalische Eigenschaften: Die Dichte beträgt ca 6.10 g/cm³, und die Härte und Festigkeit sind im Vergleich zur monoklinen Phase verbessert. Die Kristallstruktur weist eine gute Stabilität bei hohen Temperaturen auf.
  • Kristallstruktur: Es gehört zur Raumgruppe Fm3m, mit einer perfekten kubischen Elementarzelle und einer hochsymmetrischen Anordnung der Atome, Damit ist es die symmetrischste Phase unter den Zirkoniumdioxid-Kristallstrukturen.
  • Stabilitätsbedingungen: Wenn die Temperatur auf 2370℃ steigt, Die tetragonale Phase von Zirkoniumdioxid wandelt sich weiter in die kubische Phase um. Die kubische Phase ist im Temperaturbereich von 2370℃-2715℃ stabil (Schmelzpunkt).
  • Physikalische Eigenschaften: Es hat eine Dichte von ca 6.27 g/cm³, besitzt eine hohe Härte, Stärke, und thermische Stabilität, und seine Kristallstruktur zeigt eine hervorragende Leistung bei hohen Temperaturen.

Diese drei kristallinen Formen von Zirkonoxid wandeln sich bei unterschiedlichen Temperaturen und chemischen Umgebungen ineinander um, und ihre Eigenschaften und Anwendungen variieren je nach Kristallstruktur. Durch die Kontrolle der Temperatur, Zugabe von Stabilisatoren, und andere Methoden, Die Kristallstruktur von Zirkonoxid kann an die Anwendungsanforderungen verschiedener Bereiche angepasst werden.

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

Kernleistung und Vorteile

Zirkonkeramik verfügt über eine extrem hohe Festigkeit und Härte, gepaart mit hervorragender Bruchzähigkeit, übertrifft andere traditionelle Keramikmaterialien bei weitem. Diese hohe Zähigkeit ist in erster Linie auf den einzigartigen Phasenumwandlungs-Zähigkeitsmechanismus zurückzuführen: während der Rissausbreitung, Unter spannungsinduzierten Bedingungen wandeln sich tetragonale Zirkonoxidpartikel in die monokline Phase um, Es absorbiert Rissenergie und verhindert so 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 mechanische Eigenschaften hinaus, Zirkonoxidkeramik weist außerdem eine bemerkenswerte physikalisch-chemische Stabilität auf:

  1. Hohe Temperaturbeständigkeit: Schmelzpunkt bis 2715℃, Stabiler Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen.
  2. Korrosionsbeständigkeit: Hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Medien wie Säuren, Alkalien, und Salze, Geeignet für raue chemische Umgebungen.
  3. Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wärmeleitfähigkeit so niedrig wie 2-3 W/(m·K), Dies macht es zu einem hervorragenden Wärmeisolator.
  4. Wärmeausdehnungskoeffizient: Etwa 10.5 × 10⁻⁶/K, in der Nähe metallischer Werkstoffe (z.B., Stahl), Erleichterung der Verbundklebung mit Metallen.
  5. Biokompatibilität: Ungiftig, nicht reizend, und gute Verträglichkeit mit menschlichem Gewebe, Dies macht es zu einem idealen biomedizinischen Material.

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.

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