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Matériaux céramiques de zircone

La zircone est un oxyde cristallin blanc composé de zirconium (Zr) et de l'oxygène (Ô), de formule chimique ZrO₂. La zircone pure existe en trois phases cristallines à différentes températures: monoclinique (m-ZrO₂), tétragonal (t-ZrO₂), et cubique (c-ZrO₂).

The transition from the tetragonal to the monoclinic phase is followed by a volume increase by about 3-5% which could cause cracks in ceramics when they cool. To address this issue stabilizers (such as yttrium oxide ET₂OU₃, magnesium oxide MgO calcium oxide CaO and so on.) are usually used to stabilize high-temperature crystals, which results in the “trempe par transformation de phase” mechanism and significantly increasing the strength of fractures of the material.

Zircone (ZrO₂) ceramics due to their outstanding mechanical properties and distinctive physical and chemical properties, hold an essential place in the field of advanced ceramics. They are also known in the industry as “en céramique en acier,” it is extensively utilized in high-tech areas like aerospace, biomedicine electronic and communications as well as precision machinery which makes it one of the essential materials used in modern manufacturing.

Céramique de zircone

Crystalline Forms of Zirconia

Zircone(ZrO₂) widely known in the industry as “en céramique en acier” in the advanced material industry and has its outstanding durability, mechanical strength and thermal stability as well as the resistance against wear to its distinctive polymorphic character. In contrast to other single-phase technical clays zirconia is found in three distinct allotropic crystal structures (phases) according to temperature and chemical conditions:
  • Structure cristalline: Appartient au groupe spatial P2₁/c, présentant une symétrie de structure cristalline relativement faible et un arrangement atomique relativement lâche. La cellule unitaire a une symétrie monoclinique.
  • Conditions de stabilité:À température et pression normales, le dioxyde de zirconium existe en phase monoclinique, qui est la phase stable du dioxyde de zirconium à température ambiante.
  • Propriétés physiques:La densité est d'environ 5.65-5.68 g/cm³, et il a une dureté relativement faible. La structure cristalline est sujette à la déformation sous contrainte.
  • Structure cristalline:A member to the P4₂/nmc group of space and has a tetragonal cell, and an ordered and regular arrangement of atoms, with the highest symmetry of crystals.
  • Conditions de stabilité:As the temperature increases to about 1150℃, monoclinic Zirconia undergoes an elongation phase, which transforms into the Tetragonal phase. The Tetragonal phase is stable over the temperature range between 1150℃-2370℃.
  • Propriétés physiques:The density is around 6.10 g/cm³, and the hardness and strength are enhanced when compared to monoclinic. The crystal structure has good stability at high temperatures .
  • Structure cristalline:a member to the Fm3m space group and has an ideal cubic unit cell, and an extremely symmetrical arrangement of particles, making this the most homogeneous phase of zirconium dioxide crystals.
  • Conditions de stabilité:If the temperature increases to 2370℃, the tetragonal portion of zirconium dioxide transforms to the cubic phase. It is stable over the range2370℃-2715℃ (melting the point).
  • Propriétés: It has a density of about 6.27 g/cm³, and has the highest strength, hardness and thermal stability in addition, its structure shows outstanding performance even at temperatures of high.

These three crystalline forms of zirconia sort of change into one another based on various temperatures and chemical surroundings, and what they’re used for, change a lot too, depending on the actual crystal structure. If you tune the temperature , include stabilizers, and use a few other techniques then the zirconia crystal framework can be tweaked so it fits the task requirements of different fields.

Polymorphes de zircone
Crystal structure model diagram of Zirconia
Les trois structures cristallines de la zircone et leurs transformations.
Les trois structures cristallines de la zircone et leurs transformations.

Zirconia Ceramic Core Performance and Advantages

Zirconia ceramics have extremely high hardness and strength, along with exceptional fracture toughness which is superior to other ceramics. The toughness of this material is due to its unique phase change and toughening mechanism. When cracks development, tetragonal zirconia particles change into monoclinic particles when stressed, absorbing the energy of cracks and hindering further crack expansion.
Propriété
Valeur typique
Unité
Remarques
Densité
5.85 – 6.05
g/cm³
Haute densité
Dureté Vickers
1200 – 1400
HT
Excellente résistance à l'usure
Résistance à la flexion
900 – 1200
MPa
Capacité de charge élevée
Résistance à la rupture
8 – 12
MPa·m^1/2
Caractéristique clé de “en céramique en acier”
Module élastique
200 – 220
GPa
Bonne rigidité

Beyond the mechanical properties, zirconia ceramics have remarkable physicochemical stability.

  1. High Temperature Resistant:The melting point can be as high as 2715℃. Stable operation in high temperature environments.
  2. The resistance to corrosion:A strong resistance to chemical substances like acids, alcalis, as well as salts that are suitable for extreme environmental conditions.
  3. Conductivité thermique: The thermal conductivity can be as low as a mere 2-3 Avec(mK) This makes it an excellent thermal insulation.
  4. The Thermal Expansion Coefficient: Environ 10.5 × 10⁻⁶/K, very close the metallic material (e.g. acier) and facilitating the bonding of composites and bonding with metallic materials.
  5. Biocompatibility:The material is non-toxic and non-irritating, it has good biocompatibility with human tissues, making it a perfect biomedical substance.

Zirconia Ceramic Properties Table

Propriété

Unité

Z-100

Z-200

Z-300

ZM-100

ZB-100

Composition du matériau

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

ZrO₂-Y₂O₃

Couleur

Blanc

Blanc

Blanc

Jaune

Bleu

Densité

g/cm³

6.00

6.03

6.04

5.70

6.03

Résistance à la flexion

MPa

900

950

1100

450

1100

Résistance à la compression

MPa

2100

2200

2300

1600

2300

Module élastique

GPa

200

210

220

210

220

Résistance à la rupture

MPa·m¹/²

9.0

9.0

5.5

7.0

Coefficient de Poisson

0.3

0.3

0.3

0.3

0.3

Dureté (HRA)

HRA

89

90

90

88

90

Dureté Vickers

HV1

1250

1450

1450

1240

1450

Coefficient de dilatation thermique

10⁻⁶/K

10

10

10

10

Conductivité thermique

Avec(m·K)

3

3

3

3

3

Résistance aux chocs thermiques

ΔT°C

400

400

400

400

Température d'utilisation maximale (Oxydant)

°C

1000

1000

1000

850

1000

Température d'utilisation maximale (Réducteur/Inerte)

°C

1000

1000

1000

850

1000

Résistivité volumique (20°C)

Oh·cm

10¹³

10¹²

10¹²

5×10¹³

10¹²

Rigidité diélectrique

kV/mm

19

15

17

19

17

Constante diélectrique (1MHz)

28

30

30

27

30

Perte diélectrique (bronzageδ)

2×10⁻³

2×10⁻³

2×10⁻³

2×10⁻³ (1GHz)

2×10⁻³

How Are Zirconia Ceramics Manufactured?

Comment sont fabriquées les céramiques d'alumine

Applications of Zirconia Ceramics

Foire aux questions sur la céramique d'alumine

La céramique de zircone est appréciée pour sa haute résistance et sa ténacité à la rupture.
Par rapport à la plupart des céramiques techniques, il est plus résistant aux fissures et aux chocs.
Cela le rend adapté aux applications où la fiabilité mécanique est critique.

La céramique de zircone a généralement une ténacité à la rupture plus élevée que la céramique d'alumine, ce qui signifie qu'il est moins fragile sous contrainte mécanique.
Alumine, cependant, peut offrir une meilleure résistance à l’usure et une meilleure stabilité thermique dans certaines conditions.
Le meilleur choix dépend de la manière dont le composant échoue en fonctionnement réel.

La zircone stabilisée à l'yttria est un oxyde de zirconium combiné à de l'oxyde d'yttrium..
Cette stabilisation améliore la stabilité de phase et la ténacité.
Il permet au matériau de conserver sa résistance sous charge et contrainte thermique..

La céramique de zircone fonctionne bien à des températures élevées et a une faible conductivité thermique.
Il est souvent utilisé là où une isolation thermique ou une stabilité thermique est requise.
Pour une exposition à long terme ou un cycle thermique rapide, les limites de fonctionnement doivent être soigneusement évaluées.

La céramique de zircone peut être utilisée dans les applications d'usure, surtout là où la résistance aux chocs est importante.
Pour des conditions d’usure purement abrasives, d'autres céramiques telles que l'alumine ou le carbure de silicium
peut offrir de meilleures performances en fonction de la conception du système.

La céramique de zircone présente une excellente résistance à la plupart des acides, alcalis, et produits chimiques industriels.
Cela le rend adapté au traitement chimique et aux environnements d’exploitation corrosifs
où les composants métalliques peuvent tomber en panne rapidement.

Oui. Les composants en céramique de zircone peuvent être personnalisés en termes de qualité de matériau, taille, forme,
état de surface, et la tolérance.
La personnalisation permet de garantir un ajustement approprié et des performances stables dans des conditions de fonctionnement spécifiques.