Zirkoniumoxide , gekenmerkt door zijn hoge smelt- en kookpunten, evenals zijn hardheid, isoleert bij kamertemperatuur en vertoont toch een uitstekende elektrische geleidbaarheid bij hoge temperaturen. Bijgevolg heeft het een enorm potentieel voor toepassingen op verschillende gebieden, zoals mechanica, elektronica , optica, biologie en katalyse, en dient het als zowel structurele als functionele keramische materialen. Bovendien speelt zirkonia een cruciale "ondersteunende rol" bij de productie van geavanceerde keramiek, waarbij het toevoegen van een kleine hoeveelheid zirkonia de prestaties van andere keramische materialen aanzienlijk kan verbeteren.
I. Met zirkoniumoxide gehard aluminiumoxide composietkeramiek
De martensitische fasetransformatie-eigenschap van ZrO2 verbetert de breuktaaiheid en buigsterkte van keramische materialen, waardoor deze uitstekende mechanische eigenschappen krijgen. Bovendien kunnen de lage thermische geleidbaarheid van zirkoniumoxide en de uitstekende thermische schokbestendigheid het brosheidsprobleem van keramische materialen verlichten. Samenvattend wordt bij het harden voornamelijk gebruik gemaakt van de martensitische fasetransformatie van ZrO2, die de energie absorbeert die wordt gegenereerd tijdens de overgang van de tetragonale structuur naar de monokliene structuur, waardoor de voortplanting en uitbreiding van scheuren wordt geremd.
Op basis van dit mechanisme resulteert de introductie van zirkoniumoxide in Al2O3-keramiek in zirkoniumoxide-gehard aluminiumoxide (ZTA) keramiek . ZrO2 vertoont fasetransformatie-hardende en microscheur-hardende effecten in Al2O3-keramiek , waardoor het materiaal wordt versterkt en harder wordt. Als gevolg hiervan wordt ZTA-keramiek beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen in structurele keramiek.
II. De impact van zirkoniumoxide op de thermische schokbestendigheid van magnesiumoxide-keramiek
Magnesia-keramiek bezit een uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen, elektrische isolatie en een sterke weerstand tegen alkalimetaalslakken. Het is chemisch inert voor metalen zoals magnesium, nikkel, uranium, thorium, zink, aluminium, ijzer, koper en platina, waardoor het geschikt is voor toepassingen zoals smeltkroezen voor het smelten van metaal, mallen voor het gieten van metaal, beschermbuizen voor thermokoppels op hoge temperatuur en bekledingsmaterialen voor hogetemperatuurovens. Onder omstandigheden van snelle temperatuurveranderingen (thermische schokken) neemt de sterkte van magnesiumoxide-keramiek echter aanzienlijk af, wat leidt tot afbrokkeling of zelfs broosheid, waardoor de veiligheid en betrouwbaarheid ervan afnemen. Daarom zijn het verbeteren van de thermische schokbestendigheid van magnesiumoxide-keramiek en het verlengen van de levensduur bij hoge temperaturen van aanzienlijk praktisch belang.
Uit onderzoek is gebleken dat het toevoegen van nano-monoklieen zirkoniumoxide de microstructurele uniformiteit van magnesiumoxide-keramiek kan verbeteren, de sintertemperaturen kan verlagen en de verdichting van het monster kan bevorderen. Monsters met toevoegingen van nano-monokliene zirkoniumoxide vertonen een verbeterde weerstand tegen thermische schokken door het harden van microscheuren, het harden van fasetransformatie en het harden van microscheuren doorbuiging.
III. De impact van zirkoniumoxide op keramische bindmiddelen voor superharde schuurmiddelen
Keramische bindmiddelen op lage temperatuur zijn een cruciaal onderdeel bij de bereiding van hoogwaardige keramisch gebonden superharde schuurmiddelen (diamant, kubisch boornitride) en hun eigenschappen hebben rechtstreeks invloed op de algehele prestaties van deze schuurmiddelen. Basisprestatie-eisen voor keramische bindmiddelen in superharde schuurmiddelen omvatten hoge sterkte, lage verwekings- en smelttemperaturen, kleine thermische uitzettingscoëfficiënten en goede bevochtigingseigenschappen bij hoge temperaturen. Bovendien worden, vanwege de hoge hardheid en slijtvastheid van superharde schuurdeeltjes, de meeste keramische bindmiddelen voor superharde schuurmiddelen bij relatief hoge rotatiesnelheden gebruikt. Om ervoor te zorgen dat schuurdeeltjes hun slijpprestaties volledig kunnen uitoefenen, moeten keramische bindmiddelen voor superharde schuurmiddelen daarom een hoge sterkte bezitten.
Door het B2O3-Al2O3-SiO2-systeem als keramisch basisbindmiddel te gebruiken en variërende hoeveelheden nano-ZrO2 als additief toe te voegen, hebben onderzoekers het effect van de inhoud ervan op de structuur en eigenschappen van keramische bindmiddelen bestudeerd. De resultaten geven aan dat met het toenemende gehalte aan nano-ZrO2 de algehele prestatie zijn piek bereikt wanneer het gehalte 8% bedraagt, met een buigsterkte van 63,41 MPa en een Rockwell-hardheid van 129,8 HRC. Het keramische bindmiddel vertoont bovendien een uniforme poriënverdeling en een goede microstructuur.
In een ander onderzoek vervaardigden onderzoekers keramische bindmiddelen door ZrO2 op te nemen in een op Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 gebaseerd glas en onderzochten ze het effect van het ZrO2-gehalte op de prestaties van kubieke boornitride-schuurmiddelen. De resultaten toonden aan dat naarmate het ZrO2-gehalte toeneemt, de vloeibaarheid bij hoge temperaturen afneemt en ZrO2 kristallisatie in de glasfase bevordert. Wanneer het ZrO2-gehalte 1% bedraagt, bereikt de hardheid van de schurende teststrip HRB110,6 en neemt de buigsterkte met 27,9% toe tot 68,23 MPa. Bovendien verbetert de slijtvastheid aanzienlijk, met een toename van de slijtageverhouding van 119%.
IV. De impact van zirkoniumoxide op keramiek op basis van korund
Op korund gebaseerde keramische regeneratieve lichamen bezitten verschillende voordelen, waaronder uitstekende chemische stabiliteit, weerstand tegen hoge temperaturen, erosieweerstand en superieure sterkte. Ze zijn echter gevoelig voor brosheid en slechte thermische schokbestendigheid. Momenteel bestaat er een schat aan literatuur waarin de verbetering van de thermische schokbestendigheid en de verharding van op korund gebaseerd keramiek door middel van nano-ZrO2 wordt onderzocht.
Door onderzoek naar de eigenschappen van op nano-zirkoniumoxide geharde, op korund gebaseerde keramische regeneratieve lichamen is ontdekt dat nano-ZrO2, als tweedefasedeeltje, verspreid is in de keramische matrix, waardoor de sterkte en de weerstand tegen thermische schokken wordt vergroot. Het versterkende effect van nano-ZrO2 hangt nauw samen met de kristallijne fase ervan. Wanneer al het geïntroduceerde ZrO2 zich in de kubische fase bevindt, treedt er geen fasetransformatie-harding op, wat resulteert in slechts een kleine microscheur-harding. Omgekeerd leidt de aanwezigheid van een geschikte hoeveelheid tetragonale en monokliene ZrO2-fasen tot een synergetisch effect van fasetransformatie-harding en microscheur-harding, waardoor de taaiheid van het op korund gebaseerde keramische regeneratieve lichaam aanzienlijk wordt verbeterd.
V. De impact van zirkoniumoxide op de microstructuur en mechanische eigenschappen van heetgeperst AlN-keramiek
AlN-keramiek , bekend om hun hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende elektrische eigenschappen en lage thermische uitzettingscoëfficiënt, zijn ideale materialen voor substraten voor circuitverpakkingen. In vergelijking met keramische materialen zoals Si3N4 en SiC vertonen AlN-keramiek echter een lagere breuktaaiheid, wat hun thermische schokbestendigheid in gevaar brengt en de bewerkingsmoeilijkheden vergroot.
Er is onderzoek gedaan naar de toevoeging van nano-ZrO2-poeder, gecombineerd met Y2O3-sinterhulpmiddelen, om AlN-keramiek te vervaardigen door middel van sinteren onder hoge druk. De resultaten geven aan dat de fasen van het heetgeperste AlN-keramiek de primaire AlN-fase, de Al5Y3O12-korrelgrensfase en de nieuwe ZrN-fase omvatten. Met de toevoeging van ZrO2 blijft de Vickers-hardheid van het heetgeperste AlN-keramiek grotendeels onveranderd, terwijl de breuktaaiheid geleidelijk verbetert.
VI. De impact van zirkoniumoxide-doping op de structuur en diëlektrische eigenschappen van BaTiO3-keramiek
Elektronische keramiek, als een soort elektromagnetisch functioneel keramiek, heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen. Onder hen wordt bariumtitanaatkeramiek veel gebruikt in verschillende sensoren en chipcondensatoren vanwege hun hoge diëlektrische constante en uitstekende ferro-elektrische eigenschappen. De Curietemperatuur van zuiver bariumtitanaat bedraagt echter 120°C, wat de toepasbaarheid ervan bij kamertemperatuur beperkt. Om de diëlektrische eigenschappen van op bariumtitanaat gebaseerde keramische materialen te verbeteren, hebben onderzoekers de dotering van verschillende oxiden onderzocht, wat heeft geresulteerd in een gedeeltelijk begrip van de relatie tussen doteeroxides en materiaaleigenschappen.
Met behulp van BaCO3, TiO2 en ZrO2 als grondstoffen hebben onderzoekers bariumzirkonaattitanaat (BZT) keramiek met verschillende Zr-gehalten bereid door middel van sinteren in de vaste fase. Er is waargenomen dat bij toenemende ZrO2-dotering de korrelgroei van BZT-keramiek regelmatiger wordt, met strak gerangschikte deeltjes, duidelijke contouren en een hoge oppervlaktedichtheid. Bij een Zr4+-doteringsniveau van 20% in omgevingen met kamertemperatuur vertoont BZT-keramiek de hoogste diëlektrische constante en het laagste diëlektrische verlies.
Conclusie
Naast de bovengenoemde keramiek hebben talloze onderzoekers ook de invloed van zirkonia in andere keramische systemen onderzocht. Uit onderzoek is bijvoorbeeld gebleken dat ZrO2 voornamelijk voorkomt als een tweede fase in de korrelgrenzen, waardoor de korrelgroei wordt geremd zonder te reageren met ZnO-korrels. Bovendien is gebleken dat ZrO2 het sinteren van BaCo0,194Zn0,116Nb0,69O3 microgolfdiëlektrische keramiek bij lage temperaturen effectief bevordert.
