Ceramica cu zirconiu este renumită pentru rezistența sa excepțională, care este proprietatea sa remarcabilă în comparație cu alte ceramice avansate. De fapt, este adesea numit „oțel ceramic”, deoarece combină duritatea unei ceramice cu o duritate care rivalizează cu unele metale.
Pentru a-i înțelege puterea, trebuie să o împărțim în două proprietăți mecanice cheie:
1. Rezistența la încovoiere (sau rezistența la îndoire): rezistență la rupere sub îndoire.
2. Rezistenta la fractura: rezistenta la propagarea fisurilor.
1. Rezistență la încovoiere: rezistență impresionantă la rupere
Zirconia are una dintre cele mai mari rezistențe la încovoiere dintre toate ceramicele.
# Interval tipic: 900 - 1.200 Megapascali (MPa)
# Pentru comparație:
* Alumină (oxid de aluminiu): 300 - 550 MPa
* Carbură de siliciu: 350 - 550 MPa
* Sticlă soda-calcică: ~50 MPa
* Oțel moale: ~400-500 MPa
Ce înseamnă acest lucru în practică: o componentă din zirconiu poate rezista la o cantitate enormă de solicitări de încovoiere sau de tracțiune înainte de a se rupe. Acest lucru îl face ideal pentru componentele structurale cum ar fi rulmenții, sculele de tăiere și implanturile care sunt sub sarcină constantă.
2. Duritatea la fractură: „Schimbatorul jocului”
Aici strălucește cu adevărat zirconia. Majoritatea ceramicii sunt puternice, dar fragile – gândiți-vă la o farfurie de porțelan; este puternic până se formează o fisură minusculă, apoi se sparge catastrofal. Zirconia este diferită datorită unui mecanism special numit întărire prin transformare.
Cum funcționează întărirea transformării:
1. Faza stabilă: La temperatura camerei, zirconia este stabilizată într-o fază cristalină tetragonală.
2. Crăpătura întâlnește cristalul: Când o fisură care se propagă se apropie de un grăunte de zirconiu, câmpul de tensiune de la vârful fisurii perturbă starea stabilă.
3. Transformare: Granulele de zirconiu tensionate se transformă instantaneu într-o fază de cristal monoclinic mai stabilă.
4. Expansiune de volum: Această transformare de fază este însoțită de o expansiune de volum de 3-4%.
5. Ecranarea fisurilor: Această expansiune „strânge” fisura din laterale, închizând-o efectiv și împiedicând-o să se propagă în continuare.
Acest mecanism asemănător cu auto-vindecarea conferă zirconiei o duritate la fractură care este de neegalat printre ceramicele oxidice.
# Interval tipic: 5 - 10 MPa√m
# Pentru comparație:
* Alumină (oxid de aluminiu): 3 - 5 MPa√m
* Carbură de siliciu: 3 - 4 MPa√m
* Sticlă soda-calcică: ~0,7 MPa√m
* Unele oțeluri: ~50-100 MPa√m (Notă: metalele sunt în mod inerent mult mai dure)
Ce înseamnă acest lucru în practică: Zirconia este foarte tolerantă la deteriorare. Este mult mai puțin probabil să se defecteze de la mici zgârieturi, impacturi sau defecte interne în comparație cu alte ceramice. Acest lucru este esențial pentru aplicații precum bilele articulațiilor șoldului, unde ciobirea sau eșecul catastrofal nu este o opțiune.
Factori care afectează rezistența zirconiei
Valorile de rezistență de mai sus sunt pentru cel mai comun tip, Policristal de zirconiu tetragonal stabilizat cu Yttria (Y-TZP). Forța poate varia în funcție de:
* Oxid de stabilizare: Yttria (Y₂O₃) este cea mai comună, dar ceria (CeO₂) poate fi folosită pentru a crea note și mai dure.
* Prelucrare: densitatea, dimensiunea granulelor și puritatea obținute în timpul producției sunt critice. Orice porozitate slăbește produsul final.
* Degradare la temperatură joasă (LTD): O slăbiciune potențială. În prezența apei sau aburului la temperaturi cuprinse între 100-300°C, suprafața Y-TZP se poate transforma spontan din faza tetragonală în faza monoclinică, ducând la micro-fisurare și la o pierdere treptată a rezistenței în timp. Formulările moderne de zirconiu sunt puternic optimizate pentru a rezista acestui efect.
Aplicații cheie care își valorifică puterea
* Implanturi medicale: Bile pentru articulația șoldului, proteze de genunchi și coroane/implanturi dentare (unde culoarea sa asemănătoare dintelui este, de asemenea, un avantaj major).
* Unelte industriale: lame de tăiere, matrițe de trefilare și piese rezistente la uzură (de exemplu, garnituri de pompă, bucșe).
* Bunuri de larg consum: carcase pentru ceasuri, lame de cuțit și chiar componente ale smartphone-urilor.
* Automotive: Senzori (în special senzori de oxigen) care funcționează în medii fierbinți de evacuare.
În concluzie, ceramica din zirconiu este excepțional de puternică, dar caracteristica sa definitorie este rezistența ridicată la rupere. Această combinație unică de duritate, rezistență și rezistență la deteriorare îl face materialul de alegere pentru aplicații solicitante în care alte ceramice ar fi prea fragile.
S-ar putea să vă placă: Ceramica cu alumină, Ceramica cu nitrură de siliciu
