الزركونيا ، التي تتميز بنقاط انصهارها وغليانها العالية، فضلا عن صلابتها، تعتبر عازلا في درجة حرارة الغرفة ولكنها تظهر موصلية كهربائية ممتازة في درجات حرارة عالية. وبالتالي، فإنه يحمل إمكانات هائلة للتطبيقات في مختلف المجالات مثل الميكانيكا، والإلكترونيات ، والبصريات، وعلم الأحياء ، والحفز الكيميائي، حيث يعمل كمواد خزفية هيكلية ووظيفية. علاوة على ذلك، تلعب الزركونيا "دورًا داعمًا" محوريًا في إنتاج السيراميك المتقدم، حيث يمكن أن تؤدي إضافة كمية صغيرة من الزركونيا إلى تحسين أداء المواد الخزفية الأخرى بشكل كبير.
I. سيراميك الألومينا المركب المقوى بالزركونيا
تعمل خاصية تحويل الطور المارتنسيتي لـ ZrO2 على تحسين صلابة الكسر وقوة الانحناء للمواد الخزفية، مما يمنحها خصائص ميكانيكية ممتازة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الموصلية الحرارية المنخفضة للزركونيا والمقاومة الممتازة للصدمات الحرارية يمكن أن تخفف من مشكلة هشاشة المواد الخزفية. باختصار، يستخدم التقوية في المقام الأول تحويل الطور المارتنسيتي لـ ZrO2، الذي يمتص الطاقة المتولدة أثناء الانتقال من البنية الرباعية إلى البنية أحادية الميل، مما يمنع انتشار الشقوق وامتدادها.
بناءً على هذه الآلية، فإن إدخال الزركونيا في سيراميك Al2O3 يؤدي إلى سيراميك الألومينا المقوى بالزركونيا (ZTA) . يُظهر ZrO2 تأثيرات تشديد التحول الطوري وتأثيرات تشديد الشقوق الدقيقة في سيراميك Al2O3 ، مما يؤدي إلى تقوية المادة وتشديدها. ونتيجة لذلك، يعتبر سيراميك ZTA أحد أكثر المواد الواعدة في صناعة السيراميك الإنشائي.
ثانيا. تأثير الزركونيا على مقاومة الصدمات الحرارية لسيراميك المغنيسيا
يتمتع سيراميك المغنيسيا بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، وعزل كهربائي، ومقاومة قوية لخبث المعادن القلوية. وهو خامل كيميائيًا للمعادن مثل المغنيسيوم والنيكل واليورانيوم والثوريوم والزنك والألمنيوم والحديد والنحاس والبلاتين، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات مثل البوتقات لصهر المعادن، وقوالب صب المعادن، والأنابيب الواقية للمزدوجات الحرارية ذات درجة الحرارة العالية. ومواد التبطين للأفران ذات درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، في ظل ظروف التغيرات السريعة في درجات الحرارة (الصدمة الحرارية)، تقل قوة سيراميك المغنيسيا بشكل كبير، مما يؤدي إلى التشظي أو حتى الهشاشة، وبالتالي تقليل سلامة الخدمة وموثوقيتها. لذلك، فإن تعزيز مقاومة الصدمات الحرارية لسيراميك المغنيسيا وإطالة عمر الخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة لهما أهمية عملية كبيرة.
كشفت الأبحاث أن إضافة زركونيا نانوية أحادية الميل يمكن أن يحسن التوحيد الهيكلي المجهري لسيراميك المغنيسيا، ويقلل درجات حرارة التلبد، ويعزز تكثيف العينة. تُظهر العينات التي تحتوي على إضافات زركونيا نانوية أحادية الميل مقاومة معززة للصدمات الحرارية من خلال تشديد الشقوق الدقيقة، وتشديد تحويل الطور، وتشديد انحراف الشقوق الدقيقة.
ثالثا. تأثير الزركونيا على المواد الرابطة الخزفية للمواد الكاشطة فائقة الصلابة
تعتبر المواد الرابطة الخزفية ذات درجة الحرارة المنخفضة عنصرًا حاسمًا في تحضير المواد الكاشطة فائقة الصلابة المرتبطة بالسيراميك عالية الأداء (الماس ونيتريد البورون المكعب)، وتؤثر خصائصها بشكل مباشر على الأداء العام لهذه المواد الكاشطة. تتضمن متطلبات الأداء الأساسية لرابطات السيراميك في المواد الكاشطة فائقة الصلابة قوة عالية، ودرجات حرارة منخفضة للتليين والذوبان، ومعاملات تمدد حراري صغيرة، وخصائص ترطيب جيدة عند درجات حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للصلابة العالية ومقاومة التآكل للجسيمات الكاشطة فائقة الصلابة، يتم استخدام معظم الروابط الخزفية للمواد الكاشطة فائقة الصلابة بسرعات دوران عالية نسبيًا. لذلك، لضمان قدرة الجزيئات الكاشطة على أداء أداء الطحن بشكل كامل، يجب أن تمتلك الروابط الخزفية للمواد الكاشطة فائقة الصلابة قوة عالية.
من خلال استخدام نظام B2O3-Al2O3-SiO2 كمادة رابطة سيراميكية أساسية وإضافة كميات مختلفة من nano-ZrO2 كمواد مضافة، قام الباحثون بدراسة تأثير محتواه على بنية وخصائص المواد الرابطة الخزفية. تشير النتائج إلى أنه مع زيادة محتوى nano-ZrO2، يصل الأداء العام إلى ذروته عندما يكون المحتوى 8%، مما يُظهر قوة انثناء تبلغ 63.41 ميجا باسكال وصلابة روكويل تبلغ 129.8 HRC. يُظهر الموثق الخزفي أيضًا توزيعًا موحدًا للمسام وبنية مجهرية جيدة.
في دراسة أخرى، قام الباحثون بإعداد مواد رابطة سيراميكية من خلال دمج ZrO2 في زجاج قائم على Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 وفحصوا تأثير محتوى ZrO2 على أداء مواد كاشطة نيتريد البورون المكعبة. وأظهرت النتائج أنه مع زيادة محتوى ZrO2، تنخفض سيولة درجة الحرارة المرتفعة، ويعزز ZrO2 التبلور في الطور الزجاجي. عندما يكون محتوى ZrO2 1%، فإن صلابة شريط الاختبار الكاشطة تصل إلى HRB110.6، وتزداد قوة الانثناء بنسبة 27.9% إلى 68.23 ميجا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، تتحسن مقاومة التآكل بشكل ملحوظ، مع زيادة نسبة التآكل بنسبة 119%.
رابعا. تأثير الزركونيا على السيراميك المعتمد على اكسيد الالمونيوم
تمتلك الأجسام الخزفية المتجددة المعتمدة على اكسيد الالمونيوم العديد من المزايا، بما في ذلك الاستقرار الكيميائي الممتاز، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، والقوة الفائقة. ومع ذلك، فهي عرضة للهشاشة وضعف مقاومة الصدمات الحرارية. حاليًا، هناك ثروة من المؤلفات التي تستكشف تعزيز مقاومة الصدمات الحرارية وتقوية السيراميك المعتمد على اكسيد الالمونيوم من خلال أكسيد الزركون النانوي.
ومن خلال الأبحاث التي أجريت على خصائص الأجسام الخزفية المتجددة المصنوعة من أكسيد الألمونيوم والمقواة بالنانو زركونيا، تم اكتشاف أن النانو ZrO2، كجسيم المرحلة الثانية، منتشر داخل المصفوفة الخزفية، مما يعزز قوته ومقاومته للصدمات الحرارية. يرتبط تأثير التقوية لـ nano-ZrO2 ارتباطًا وثيقًا بمرحلته البلورية. عندما يكون كل ZrO2 المقدم في الطور المكعب، لا يحدث تصلب تحويل الطور، مما يؤدي إلى تصلب الشقوق الصغيرة فقط. على العكس من ذلك، فإن وجود كمية مناسبة من أطوار ZrO2 الرباعية وأحادية الميل يؤدي إلى تأثير تآزري لتقوية تحول الطور وتقوية الشقوق الدقيقة، مما يحسن بشكل كبير من صلابة الجسم المتجدد الخزفي القائم على اكسيد الالمونيوم.
V. تأثير الزركونيا على البنية الدقيقة والخواص الميكانيكية لسيراميك AlN المضغوط على الساخن
يعتبر سيراميك AlN ، المشهور بموصليته الحرارية العالية، وخصائصه الكهربائية الممتازة، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، مواد مثالية لركائز تغليف الدوائر. ومع ذلك، بالمقارنة مع المواد الخزفية مثل Si3N4 و SiC ، فإن سيراميك AlN يُظهر صلابة أقل للكسر، مما يضر بمقاومتها للصدمات الحرارية ويزيد من صعوبة المعالجة.
تم إجراء الأبحاث التي تتضمن إضافة مسحوق nano-ZrO2، مع مساعدات التلبيد Y2O3، لتصنيع سيراميك AlN من خلال تلبيد الضغط الساخن. تشير النتائج إلى أن مراحل سيراميك AlN المضغوط على الساخن تشمل مرحلة AlN الأولية، ومرحلة حدود الحبوب Al5Y3O12، ومرحلة ZrN الجديدة. مع إضافة ZrO2، تظل صلابة فيكرز لسيراميك AlN المضغوط على الساخن دون تغيير إلى حد كبير، بينما تتحسن صلابة الكسر تدريجيًا.
السادس. تأثير تطعيم الزركونيا على البنية والخواص العازلة لسيراميك BaTiO3
لقد حظي السيراميك الإلكتروني، كنوع من السيراميك الوظيفي الكهرومغناطيسي، باهتمام كبير في السنوات الأخيرة. من بينها، يتم استخدام سيراميك تيتانات الباريوم على نطاق واسع في العديد من أجهزة الاستشعار ومكثفات الرقائق نظرًا لثبات العزل الكهربائي العالي وخصائصها الكهروضوئية الممتازة. ومع ذلك، فإن درجة حرارة كوري لتيتانات الباريوم النقي هي 120 درجة مئوية، مما يحد من إمكانية تطبيقه في درجة حرارة الغرفة. لتعزيز الخواص العازلة للمواد الخزفية المعتمدة على تيتانات الباريوم، اكتشف الباحثون تطعيم أكاسيد مختلفة، مما أدى إلى فهم جزئي للعلاقة بين أكاسيد المنشطات وخصائص المواد.
باستخدام BaCO3 وTiO2 وZrO2 كمواد خام، قام الباحثون بإعداد سيراميك تيتانات زركونات الباريوم (BZT) بمحتويات مختلفة من الزركونيوم من خلال تلبيد المرحلة الصلبة. وقد لوحظ أنه مع زيادة المنشطات ZrO2، يصبح نمو الحبوب في سيراميك BZT أكثر انتظامًا، مع جزيئات مرتبة بإحكام، وخطوط واضحة، وكثافة سطحية عالية. عند مستوى تطعيم Zr4+ يبلغ 20% في بيئات درجة حرارة الغرفة، يُظهر سيراميك BZT أعلى ثابت عازل وأقل خسارة عازلة.
خاتمة
وبصرف النظر عن السيراميك المذكور أعلاه، قام العديد من الباحثين أيضًا بدراسة تأثير الزركونيا في أنظمة السيراميك الأخرى. على سبيل المثال، كشفت الدراسات أن ZrO2 موجود في المقام الأول كمرحلة ثانية في حدود الحبوب، مما يمنع نمو الحبوب دون التفاعل مع حبيبات ZnO. بالإضافة إلى ذلك، تم العثور على ZrO2 لتعزيز تلبيد السيراميك العازل بالموجات الدقيقة BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3 في درجات حرارة منخفضة.
