Yüksek erime ve kaynama noktalarının yanı sıra sertliğiyle de öne çıkan zirkonya , oda sıcaklığında yalıtkan olmasına rağmen yüksek sıcaklıklarda mükemmel elektrik iletkenliği gösterir. Sonuç olarak mekanik, elektronik , optik, biyoloji ve kataliz gibi çeşitli alanlardaki uygulamalar içinhem yapısal hem de işlevsel seramik malzeme olarak büyük bir potansiyele sahiptir. Üstelik zirkonya, gelişmiş seramiklerin üretiminde çok önemli bir "destekleyici rol" oynar; burada az miktarda zirkonya eklenmesi, diğer seramik malzemelerin performansını önemli ölçüde artırabilir.
I. Zirkonya ile Sertleştirilmiş Alümina Kompozit Seramikler
ZrO2'nin martensitik faz dönüşüm özelliği, seramik malzemelerin kırılma dayanıklılığını ve bükülme mukavemetini arttırır ve onlara mükemmel mekanik özellikler kazandırır. Ayrıca zirkonyanın düşük termal iletkenliği ve mükemmel termal şok direnci, seramik malzemelerin kırılganlık sorununu hafifletebilir. Özetle, sertleştirme öncelikle ZrO2'nin martensitik faz dönüşümünü kullanır; bu, tetragonal yapıdan monoklinik yapıya geçiş sırasında üretilen enerjiyi emerek çatlak ilerlemesini ve uzamasını engeller.
Bu mekanizmaya dayanarak, zirkonyanın Al2O3 seramiğine dahil edilmesi, zirkonyayla sertleştirilmiş alümina (ZTA) seramiklerle sonuçlanır . ZrO2, Al2O3 seramiklerinde faz dönüşüm sertleştirme ve mikro çatlak sertleştirme etkileri sergileyerek malzemeyi güçlendirir ve sertleştirir. Sonuç olarak ZTA seramikleri, yapısal seramikler arasında en umut verici malzemelerden biri olarak kabul ediliyor.
II. Zirkonyanın Magnezya Seramiklerinin Termal Şok Direncine Etkisi
Magnesia seramiği mükemmel yüksek sıcaklık direncine, elektrik yalıtımına ve alkali metal cüruflarına karşı güçlü dirence sahiptir. Magnezyum, nikel, uranyum, toryum, çinko, alüminyum, demir, bakır ve platin gibi metallere karşı kimyasal olarak inert olduğundan metal eritme potaları, metal döküm kalıpları, yüksek sıcaklık termokuplları için koruyucu tüpler gibi uygulamalar için uygundur. ve yüksek sıcaklık fırınları için astar malzemeleri. Bununla birlikte, hızlı sıcaklık değişimleri (termal şok) koşulları altında, magnezya seramiklerinin mukavemeti önemli ölçüde azalır, bu da dökülmeye ve hatta kırılganlığa yol açarak servis güvenliğini ve güvenilirliğini azaltır. Bu nedenle magnezya seramiklerinin termal şok direncinin arttırılması ve yüksek sıcaklıklarda servis ömrünün uzatılması pratik açıdan büyük önem taşımaktadır.
Araştırmalar, nano-monoklinik zirkonyumun eklenmesinin, magnezya seramiklerinin mikroyapısal tekdüzeliğini geliştirebileceğini, sinterleme sıcaklıklarını azaltabileceğini ve numune yoğunlaşmasını destekleyebileceğini ortaya çıkardı. Nano-monoklinik zirkonya ilaveli numuneler, mikro çatlak sertleşmesi, faz dönüşümü sertleşmesi ve mikro çatlak sapması sertleşmesi yoluyla gelişmiş termal şok direnci sergiler.
III. Zirkonyanın Süper Sert Aşındırıcılar İçin Seramik Bağlayıcılar Üzerindeki Etkisi
Düşük sıcaklıktaki seramik bağlayıcılar, yüksek performanslı seramik bağlı süper sert aşındırıcıların (elmas, kübik bor nitrür) hazırlanmasında çok önemli bir bileşendir ve bunların özellikleri, bu aşındırıcıların genel performansını doğrudan etkiler. Süper sert aşındırıcılardaki seramik bağlayıcılar için temel performans gereksinimleri arasında yüksek mukavemet, düşük yumuşama ve erime sıcaklıkları, küçük termal genleşme katsayıları ve yüksek sıcaklıklarda iyi ıslatma özellikleri bulunur. Ek olarak, süper sert aşındırıcı parçacıkların yüksek sertliği ve aşınma direnci nedeniyle, süper sert aşındırıcılara yönelik seramik bağlayıcıların çoğu, nispeten yüksek dönme hızlarında kullanılır. Bu nedenle aşındırıcı parçacıkların öğütme performansını tam olarak gösterebilmesi için süper sert aşındırıcılara yönelik seramik bağlayıcıların yüksek mukavemete sahip olması gerekir.
Araştırmacılar, temel seramik bağlayıcı olarak B2O3-Al2O3-SiO2 sistemini kullanarak ve katkı maddesi olarak değişen miktarlarda nano-ZrO2 ekleyerek, içeriğinin seramik bağlayıcıların yapısı ve özellikleri üzerindeki etkisini incelediler. Sonuçlar, artan nano-ZrO2 içeriğiyle birlikte, içerik %8 olduğunda genel performansın zirveye ulaştığını, 63,41 MPa'lık bir bükülme mukavemeti ve 129,8 HRC'lik bir Rockwell sertliği sergilediğini göstermektedir. Seramik bağlayıcı ayrıca düzgün gözenek dağılımı ve iyi bir mikro yapı sergiler.
Başka bir çalışmada araştırmacılar, ZrO2'yi Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 bazlı bir cama dahil ederek seramik bağlayıcılar hazırladılar ve ZrO2 içeriğinin kübik bor nitrür aşındırıcıların performansı üzerindeki etkisini araştırdılar. Sonuçlar, ZrO2 içeriği arttıkça yüksek sıcaklıkta akışkanlığın azaldığını ve ZrO2'nin cam fazında kristalleşmeyi desteklediğini gösterdi. ZrO2 içeriği %1 olduğunda, aşındırıcı test şeridinin sertliği HRB110.6'ya ulaşır ve bükülme mukavemeti %27,9 artarak 68,23 MPa'ya yükselir. Ek olarak aşınma direnci %119'luk bir aşınma oranı artışıyla önemli ölçüde iyileşir.
IV. Zirkonyanın Korindon Esaslı Seramiklere Etkisi
Korindon bazlı seramik rejeneratif gövdeler, mükemmel kimyasal stabilite, yüksek sıcaklık direnci, erozyon direnci ve üstün dayanıklılık gibi çeşitli avantajlara sahiptir. Bununla birlikte, kırılganlığa ve zayıf termal şok direncine eğilimlidirler. Şu anda, termal şok direncinin arttırılmasını ve korundum bazlı seramiklerin nano-ZrO2 yoluyla sertleştirilmesini araştıran çok sayıda literatür bulunmaktadır.
Nano-zirkonya ile sertleştirilmiş korindon bazlı seramik rejeneratif gövdelerin özellikleri üzerine yapılan araştırmalar sayesinde, nano-ZrO2'nin ikinci faz partikülü olarak seramik matris içinde dağılarak gücünü ve termal şok direncini arttırdığı keşfedilmiştir. Nano-ZrO2'nin sertleştirici etkisi kristal fazıyla yakından ilgilidir. Katılan ZrO2'nin tamamı kübik fazda olduğunda, faz dönüşüm toklaşması meydana gelmez, bu da yalnızca küçük mikro çatlak toklaşmasıyla sonuçlanır. Tersine, uygun miktarda tetragonal ve monoklinik ZrO2 fazının varlığı, faz dönüşümü sertleşmesi ve mikro çatlak toklaşmasının sinerjistik etkisine yol açarak korundum bazlı seramik rejeneratif gövdenin dayanıklılığını önemli ölçüde artırır.
V. Zirkonyanın Sıcak Preslenmiş AlN Seramiklerin Mikro Yapısı ve Mekanik Özellikleri Üzerindeki Etkisi
Yüksek termal iletkenlikleri, mükemmel elektriksel özellikleri ve düşük termal genleşme katsayıları ile tanınan AlN seramikleri , devre paketleme alt katmanları için ideal malzemelerdir. Bununla birlikte, Si3N4 ve SiC gibi seramik malzemelerle karşılaştırıldığında, AlN seramikleri daha düşük kırılma tokluğu sergiler, bu da onların termal şok direncinden ödün verir ve işleme zorluğunu artırır.
AlN seramiklerinin sıcak pres sinterleme yoluyla üretilmesi için Y2O3 sinterleme yardımcılarıyla birlikte nano-ZrO2 tozunun eklenmesini içeren araştırmalar yürütülmüştür. Sonuçlar, sıcak preslenmiş AlN seramiğinin fazlarının birincil AlN fazını, Al5Y3O12 tane sınırı fazını ve yeni ZrN fazını içerdiğini göstermektedir. ZrO2 ilavesiyle, sıcak preslenmiş AlN seramiğinin Vickers sertliği büyük oranda değişmeden kalırken, kırılma dayanıklılığı giderek artıyor.
VI. Zirkonya Katkının BaTiO3 Seramiklerinin Yapısı ve Dielektrik Özellikleri Üzerindeki Etkisi
Elektromanyetik fonksiyonel seramiklerin bir türü olan elektronik seramikler, son yıllarda büyük ilgi görmüştür. Bunlar arasında baryum titanat seramikleri, yüksek dielektrik sabiti ve mükemmel ferroelektrik özelliklerinden dolayı çeşitli sensörlerde ve çip kapasitörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, saf baryum titanatın Curie sıcaklığı 120°C'dir ve oda sıcaklığında uygulanabilirliğini sınırlamaktadır. Baryum titanat bazlı seramik malzemelerin dielektrik özelliklerini geliştirmek için araştırmacılar çeşitli oksitlerin katkılanmasını araştırdılar ve bunun sonucunda katkı oksitleri ile malzeme özellikleri arasındaki ilişkinin kısmen anlaşılması sağlandı.
BaCO3, TiO2 ve ZrO2'yi hammadde olarak kullanan araştırmacılar, katı faz sinterleme yoluyla farklı Zr içeriklerine sahip baryum zirkonat titanat (BZT) seramikleri hazırladılar. Artan ZrO2 katkılaması ile BZT seramiklerinin tane büyümesinin daha düzenli hale geldiği, sıkı düzenlenmiş parçacıklar, net konturlar ve yüksek yüzey yoğunluğu ile gözlenmiştir. Oda sıcaklığındaki ortamlarda %20 Zr4+ katkılama seviyesinde BZT seramikleri en yüksek dielektrik sabitini ve en düşük dielektrik kaybını sergiler.
Çözüm
Bahsedilen seramiklerin dışında çok sayıda araştırmacı zirkonyanın diğer seramik sistemlerdeki etkisini de araştırmıştır. Örneğin, çalışmalar ZrO2'nin öncelikle tane sınırlarında ikinci bir faz olarak bulunduğunu ve ZnO taneleri ile reaksiyona girmeden tane büyümesini engellediğini ortaya çıkarmıştır. Ek olarak ZrO2'nin, BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3 mikrodalga dielektrik seramiklerinin düşük sıcaklıklarda sinterlenmesini etkili bir şekilde desteklediği bulunmuştur.
