سرامیک زیرکونیا به دلیل استحکام فوقالعادهاش معروف است که ویژگی برجسته آن در مقایسه با سایر سرامیکهای پیشرفته است. در واقع، اغلب به آن "فولاد سرامیکی" می گویند، زیرا سختی یک سرامیک را با چقرمگی ترکیب می کند که با برخی فلزات رقابت می کند.
برای درک قدرت آن، باید آن را به دو ویژگی مکانیکی کلیدی تقسیم کنیم:
1. استحکام خمشی (یا مقاومت خمشی): مقاومت در برابر شکستن تحت خمش.
2. چقرمگی شکست: مقاومت در برابر انتشار ترک.
1. استحکام خمشی: مقاومت چشمگیر در برابر شکستن
زیرکونیا یکی از بالاترین استحکام خمشی را در بین تمام سرامیک ها دارد.
# محدوده معمولی: 900 - 1200 مگا پاسکال (MPa)
# برای مقایسه:
* آلومینا (اکسید آلومینیوم): 300 - 550 مگاپاسکال
* سیلیکون کاربید: 350 - 550 مگاپاسکال
* شیشه سودا-آهک: ~50 مگاپاسکال
* فولاد ملایم: ~400-500 مگاپاسکال
این در عمل به چه معناست: یک جزء زیرکونیا می تواند مقدار زیادی تنش خمشی یا کششی را قبل از شکستگی تحمل کند. این آن را برای اجزای ساختاری مانند یاتاقان ها، ابزارهای برش و ایمپلنت هایی که تحت بار ثابت هستند ایده آل می کند.
2. شکستگی سختی: «تغییر بازی»
اینجاست که زیرکونیا واقعا می درخشد. بیشتر سرامیک ها قوی هستند اما شکننده هستند. تا زمانی که یک شکاف کوچک ایجاد شود، قوی است، سپس به طرز فاجعهباری میشکند. زیرکونیا به دلیل مکانیسم خاصی به نام سخت شدن تبدیل (Transformation Toughening) متفاوت است.
سختی تبدیل چگونه کار می کند:
1. فاز پایدار: در دمای اتاق، زیرکونیا در فاز کریستالی چهارضلعی تثبیت می شود.
2. ترک با کریستال ملاقات می کند: هنگامی که یک ترک در حال انتشار به دانه زیرکونیا نزدیک می شود، میدان تنش در نوک ترک حالت پایدار را مختل می کند.
3. تبدیل: دانه زیرکونیای تحت تنش فورا به فاز کریستالی مونوکلینیک پایدارتر تبدیل می شود.
4. گسترش حجم: این تبدیل فاز با انبساط حجمی 3-4 درصد همراه است.
5. محافظ ترک: این انبساط ترک را از طرفین "فشرده" می کند و عملاً آن را می بندد و از انتشار بیشتر آن جلوگیری می کند.
این مکانیسم خود ترمیم شونده به زیرکونیا چقرمگی شکستی می دهد که در بین سرامیک های اکسیدی بی نظیر است.
# محدوده معمولی: 5 تا 10 مگاپاسکال √m
# برای مقایسه:
* آلومینا (اکسید آلومینیوم): 3 - 5 MPa√m
* سیلیکون کاربید: 3 - 4 MPa√m
* شیشه سودا-آهک: ~ 0.7 مگاپاسکال در متر
* برخی از فولادها: ~50-100 MPa√m (توجه: فلزات ذاتاً بسیار سخت تر هستند)
این در عمل به چه معناست: زیرکونیا در برابر آسیب بسیار مقاوم است. در مقایسه با سایر سرامیک ها، احتمال خرابی آن در اثر خراش های کوچک، ضربه ها یا ایرادات داخلی بسیار کمتر است. این برای کاربردهایی مانند توپ های مفصل ران، که در آن شکستگی یا شکست فاجعه بار گزینه ای نیست، بسیار مهم است.
عواملی که بر قدرت زیرکونیا تأثیر می گذارد
مقادیر مقاومت بالا برای رایج ترین نوع، پلی کریستال زیرکونیای چهارضلعی تثبیت شده با ایتریا (Y-TZP) است. قدرت می تواند بر اساس موارد زیر متفاوت باشد:
* اکسید تثبیت کننده: ایتریا (Y2O3) رایج ترین است، اما سریا (CeO2) می تواند برای ایجاد گریدهای حتی سخت تر استفاده شود.
* پردازش: چگالی، اندازه دانه و خلوص به دست آمده در طول تولید بسیار مهم است. هر گونه تخلخل محصول نهایی را ضعیف می کند.
* تخریب در دمای پایین (LTD): یک ضعف بالقوه. در حضور آب یا بخار در دمای بین 100 تا 300 درجه سانتیگراد، سطح Y-TZP می تواند به طور خود به خود از فاز تتراگونال به فاز مونوکلینیک تبدیل شود که منجر به ایجاد ترک خوردگی میکرو و از دست دادن تدریجی استحکام در طول زمان می شود. فرمولاسیون های مدرن زیرکونیا برای مقاومت در برابر این اثر به شدت بهینه شده اند.
کاربردهای کلیدی که از قدرت آن استفاده می کنند
* ایمپلنت های پزشکی: توپ های مفصل ران، تعویض زانو، و تاج/ایمپلنت های دندانی (که رنگ دندان مانند آن نیز مزیت اصلی است).
* ابزارهای صنعتی: تیغه های برش، قالب های سیم کشی، و قطعات مقاوم در برابر سایش (مانند مهر و موم پمپ، بوشینگ).
* کالاهای مصرفی: قاب ساعت، تیغه چاقو و حتی اجزای موجود در گوشی های هوشمند.
* خودرو: حسگرهایی (به ویژه سنسورهای اکسیژن) که در محیط های داغ اگزوز کار می کنند.
در نتیجه، سرامیک زیرکونیا بسیار قوی است، اما ویژگی بارز آن چقرمگی بالای شکست آن است. این ترکیب منحصربفرد از سختی، استحکام و مقاومت در برابر آسیب، آن را به ماده انتخابی برای کاربردهای سخت تبدیل می کند که در آن سایر سرامیک ها بیش از حد شکننده هستند.
ممکن است دوست داشته باشید: سرامیک آلومینا، سرامیک نیترید سیلیکون
