Цзифэн Керамика
Циркониевая керамика выделяются среди передовой технической керамики своей исключительной вязкостью разрушения. Хотя большая часть керамики по своей природе хрупкая., диоксид циркония достигает значений вязкости разрушения 8–12 МПа·м¹/², что значительно выше, чем 3–5 МПа·м¹/², типичных для глиноземной керамики.. В некоторых высокопроизводительных классах, его прочность даже приближается к прочности некоторых металлов. Это уникальное сочетание высокой прочности и ударной вязкости принесло цирконию прозвище «керамическая сталь».
Ключом к таким характеристикам является сложный набор механизмов ужесточения., сосредоточено на ужесточении фазового превращения и поддерживается несколькими вспомогательными и инженерными методами.. В этой статье подробно объясняются эти механизмы и показано, как они обеспечивают выдающиеся механические свойства диоксида циркония..
Три кристаллические структуры циркония
Цирконий (ZrO₂) существует в трех основных кристаллических фазах в зависимости от температуры:
- Кубическая фаза (c-ZrO₂): Стабилен при температуре выше 2370°C до точки плавления. (~2715°С). Максимальная симметрия и термическая стабильность.
- Моноклинная фаза (м-ZrO₂): Стабилен при комнатной температуре в условиях нормального давления.. Меньшая плотность и деформируемость.
- Тетрагональная фаза (т-ZrO₂): Стабилен при температурах от 1150°C до 2370°C.. Более высокая плотность и прочность по сравнению с моноклинной фазой..
Превращение тетрагональной формы в моноклинную сопровождается увеличением объема на 3–5 %.. Без контроля, такое изменение объема может вызвать растрескивание во время охлаждения. Ученые-материалисты решили эту проблему, добавив стабилизаторы., которые сохраняют высокотемпературную тетрагональную фазу при комнатной температуре и превращают фазовый переход в мощный механизм упрочнения..
Основной источник высокой прочности циркония: Фазовое преобразование: ужесточение
Большой прорыв в ударной вязкости диоксида циркония, по сути, заключается в сохранении метастабильной тетрагональной фазы., это т-ZrO₂, намеренно торчать при комнатной температуре. Это достигается путем добавления стабилизаторов, таких как оксид иттрия Y₂O₃., или оксид церия CeO₂, а затем как бы позволяю микроструктуре сделать все остальное.
Когда материал подвергается воздействию внешней силы и возникают трещины, концентрация напряжений на вершине трещины вызовет мартенситное фазовое превращение метастабильных частиц тетрагональной фазы., переводя их в моноклинную фазу (м-ZrO₂). Этот процесс сопровождается увеличением объема на 3–5%., который точно применяет обратное сжимающее напряжение к поверхности трещины, противодействие внешнему растягивающему напряжению и непосредственно “проведение” кончик трещины, чтобы предотвратить ее дальнейшее расширение. В то же время, процесс фазового превращения потребляет большое количество энергии разрушения, значительное повышение стойкости материала к разрушению.
Это фазовое превращение, вызванное напряжением, является основной причиной того, почему диоксид циркония может достигать вязкости разрушения, намного превышающей вязкость обычной керамики..
Вспомогательные механизмы ужесточения, которые работают синергетически
В дополнение к основному фазовому превращению, вызванному напряжением, для повышения ударной вязкости, есть два других важных механизма, которые совместно повышают прочность диоксида циркония.:
Упрочнение микротрещин
В процессе фазового превращения, объемное расширение внутри материала приводит к образованию большого количества мелких и рассеянных микротрещин с размерами, значительно меньшими критической трещины.. Когда основная трещина распространяется на эту область, он подвергнется отклонению траектории и раздвоению, значительно увеличивает потребление энергии для расширения, и одновременно с этим дисперсно снять сосредоточенное напряжение в вершине трещины..
Упрочнение остаточного напряжения
Тщательно контролируя процесс охлаждения и фазовый состав, производители могут создавать полезные остаточные сжимающие напряжения на поверхности или границах зерен.. Эти остаточные напряжения повышают порог зарождения и раннего распространения трещин., требуется дополнительная внешняя энергия, прежде чем трещина начнет расти.
Дополнительные методы искусственной закалки, используемые в промышленности
Промышленное производство часто сочетает описанные выше естественные механизмы с методами повышения прочности для дальнейшей оптимизации производительности для конкретных применений.:
- Упрочнение частиц: Совместимые упрочняющие частицы смешиваются с порошком диоксида циркония.. Этот подход повышает ударную вязкость, а также повышает жаропрочность и сопротивление ползучести..
- Волокно / Усиление усов: Волокна или усы, введенные в матрицу, создают перекрытие трещин и рассеивание энергии трения во время выдергивания., эффективно препятствует продвижению трещины.
- Самозакалка: Контролируемые процессы спекания позволяют получить удлиненные или столбчатые зерна с предпочтительной ориентацией.. Трещины должны неоднократно отклоняться вокруг этих зерен., удлинение пути трещины и повышение ударной вязкости.
- Композитная закалка: Два или более механизмов упрочнения намеренно объединены для достижения индивидуального баланса вязкости и прочности для различных условий эксплуатации..
- Нано-упрочнение: Наноразмерные фазы улучшают структуру зерна и создают «внутризеренную» микроструктуру композита.. Это способствует транскристаллитному разрушению, а не межкристаллитному разрушению., дальнейшее улучшение общей прочности.
Результаты производительности и практическое применение
Сочетание высокой ударной вязкости и высокой прочности позволяет диоксиду циркония использоваться в сложных условиях, где обычная керамика не справится.:
- Реставрации зубов и имплантаты (короны, мосты, абатменты)
- Искусственные суставы (компоненты бедра и колена)
- Прецизионные износостойкие подшипники и механические уплотнения.
- Конструктивные элементы, подвергающиеся высоким нагрузкам, в авиационно-космическом и промышленном оборудовании.
Его относительно высокий коэффициент теплового расширения. (близок к таковому многих металлов) также делает диоксид циркония подходящим для изготовления композитных конструкций из керамики и металла..
Как JiFeng Ceramics оптимизирует прочность циркония
В Цзифэн Керамика, мы достигаем максимального эффекта фазового превращения закалки и вспомогательных механизмов закалки за счет точного контроля содержания стабилизаторов, свойства порошка, параметры спекания (в том числе горячее изостатическое прессование), и процедуры постобработки. Наша команда инженеров может порекомендовать оптимальную марку диоксида циркония или подобрать решение по закалке с учетом вашей конкретной температуры., нагрузка, и экологические требования.
Заключение
Превосходная прочность диоксида циркония не случайна, а обусловлена хорошо понятным механизмом упрочнения фазовым превращением., дополняется несколькими взаимодополняющими путями рассеивания энергии. Сохраняя метастабильный тетрагональный диоксид циркония и создавая дополнительные пути упрочнения., Ученые-материаловеды успешно создали керамические материалы с высокой прочностью и превосходным сопротивлением разрушению..
Если для вашего применения требуется высокая прочность, а также устойчивость к износу, коррозионная стойкость, или биосовместимость, цирконий часто является идеальным выбором.
