مدونة

الزركونيا  عبارة عن مادة غير معدنية غير عضوية ذات أداء فائق ومقاومة للأحماض والقلويات. إنها تتميز بخصائص كيميائية مستقرة، نقطة انصهار عالية، موصلية حرارية منخفضة، صلابة، قوة عالية، ومقاومة التآكل. نظرًا لخصائصها الرائعة، أصبحت الزركونيا ومنتجاتها واحدة من المواد الخام الأساسية للسيراميك الإنشائي، والسيراميك الوظيفي، والسيراميك الحيوي، وطلاءات الحواجز الحرارية، مما يعرض آفاق تطبيق واسعة في مجالات التكنولوجيا العالية مثل الجيش والطاقة والمعادن والإلكترونيات . والاتصالات والسيارات والآلات.

 

تطبيق الزركونيا كمادة مضافة في تحسين أداء المواد الخزفية الأخرى

I. التأثير على سيراميك الزركونيا

تمارس النانوزركونيا تأثيرًا إيجابيًا على أداء منتجات الزركونيا العادية.

من خلال إضافة محتويات مختلفة من مثبت CaO إلى المادة الخام الزركونيا أحادية الميل المنصهرة كهربائيًا، تم تحديد الكمية المثالية لمثبت CaO من خلال تحليل تكوين الطور المعدني، والمسامية الظاهرة، وقوة الضغط للعينات بعد إطلاق النار. بناءً على الإضافة المثالية لمثبت CaO، تم دمج مسحوق الزركونيا النانوية لدراسة تأثيره على أداء منتجات الزركونيا. أظهرت النتائج أنه مع زيادة إضافة مسحوق الزركونيا النانوية إلى العينة المثالية (3Ca-PSZ)، انخفضت المسامية الظاهرية، وزاد معدل انكماش التلبيد، وتحسنت قوة الضغط. على وجه التحديد، عندما وصلت نسبة إضافة مسحوق الزركونيا النانوية إلى 8% بالوزن، أظهرت العينة مسامية بنسبة 9.4%، وكثافة كبيرة تبلغ 5.08 جم/سم 3، وقوة ضغط تبلغ 381 ميجا باسكال. بالمقارنة مع عينة 3Ca-PSZ، انخفضت المسامية بنسبة 40%، وزادت الكثافة الظاهرية بنسبة 5%، وتحسنت قوة الضغط بنسبة 70%.

 

ثانيا. التأثير على سيراميك الألومينا

يستخدم سيراميك Al2O3 على نطاق واسع في الصناعات الميكانيكية والإلكترونية والكيميائية نظرًا لخصائصه الممتازة مثل القوة العالية والصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة الأكسدة ومقاومة الصدمات الحرارية. في حين أن سيراميك Al2O3 النقي يظهر أداءً جيدًا في درجات الحرارة العالية، إلا أنه يعاني من صلابة غير كافية ومقاومة ضعيفة للصدمات، مما يؤدي غالبًا إلى تقطيع بسيط أثناء القطع. ومن خلال إضافة الزركونيا إلى مصفوفة Al2O3، يمكن لسيراميك الألومينا المقوى بالزركونيا (ZTA) أن يحسن هذه المشكلات بشكل كبير.

في سيراميك ZTA ، يتم توزيع جزيئات ZrO2 بشكل موحد في مصفوفة Al2O3. مع تغير درجة الحرارة، تمر جزيئات ZrO2 بتحولات طورية، تنتمي إلى مرحلة انتقال المارتنسيت، مما يؤدي إلى التمدد الحجمي وإجهاد القص، مما يؤدي إلى تكوين إجهاد الشد والشقوق الدقيقة. تولد بعض جزيئات ZrO2 صغيرة الحجم شقوقًا صغيرة تحت ضغط الشد. تنحصر هذه الشقوق داخل حبيبات صغيرة الحجم، ويستهلك ظهورها وانتشارها الطاقة من مجال الإجهاد الخارجي، وبالتالي تعزيز صلابة وقوة سيراميك Al2O3. لذلك، يمثل سيراميك ZTA مادة خزفية واعدة.

 

ثالثا. التأثير على سيراميك نيتريد السيليكون

يعتبر سيراميك نيتريد السيليكون  أكثر المواد الخزفية الهيكلية شمولاً نظرًا لخصائصه الممتازة مثل القوة العالية والصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل ومقاومة الزحف. ومع ذلك، فإن هشاشتها المتأصلة تعيق تطبيقها على نطاق واسع في السوق. لقد درس العديد من العلماء سيراميك Si3N4 المقوى بـ ZrO2 وأحرزوا تقدمًا كبيرًا.

تم تحضير المواد الخزفية المركبة ZrO2-Si3N4 من خلال التلبيد بدون ضغط وتم تمييزها باستخدام طريقة الإزاحة وآلة اختبار الشد العالمية SEM وDDL110. تمت دراسة تأثير محتوى ZrO2 على الكثافة والبنية المجهرية والخواص الميكانيكية لسيراميك Si3N4. أشارت النتائج إلى أنه مع زيادة محتوى ZrO2، تزداد كثافة سيراميك Si3N4؛ زادت كل من قوة الانثناء وصلابة الكسر في البداية ثم انخفضت. عندما يصل محتوى ZrO2 إلى 10%، تصل قوة الانثناء وصلابة الكسر لـ Si3N4 إلى قيمهما القصوى في وقت واحد، حيث تكون 362MPa و7.0MPa·m1/2، على التوالي.

 

رابعا. التأثير على سيراميك نيتريد الألومنيوم (AlN).

غالبًا ما يُعتبر سيراميك AlN ، المشهور بموصليته الحرارية العالية، وخصائصه الكهربائية الممتازة، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، المادة المثالية لركائز تغليف الدوائر. ومع ذلك، بالمقارنة مع المواد الخزفية مثل Si3N4 وSiC، فإن سيراميك AlN يُظهر صلابة أقل للكسر، مما يضر بمقاومتها للصدمات الحرارية ويزيد من صعوبة التشغيل الآلي.

ومن خلال دمج مسحوق nano-ZrO2 واستخدام Y2O3 كمساعد للتلبيد، تم تصنيع سيراميك AlN من خلال تلبيد بالضغط الساخن. كشفت النتائج أن تكوين الطور لسيراميك AlN المضغوط على الساخن بعد إضافة ZrO2 يشتمل على مرحلة AlN الأولية ومرحلة الحدود الحبيبية Al5Y3O12 ومرحلة ZrN الجديدة. مع إضافة ZrO2، ظلت صلابة فيكرز لسيراميك AlN المضغوط على الساخن دون تغيير إلى حد كبير، في حين تحسنت صلابة الكسر تدريجيًا. ويعزى هذا التعزيز في المقام الأول إلى تفاعل درجة الحرارة العالية بين ZrO2 وAlN المضافين، مما يؤدي إلى تكوين ZrN. يؤدي هذا التحول إلى التحول من وضع الكسر الحبيبي الفردي في سيراميك AlN إلى وضع الكسر المختلط الذي يشمل كلاً من الكسور بين الحبيبات وعبر الحبيبات، مما يعزز حدود الحبوب وبالتالي تحسين صلابة الكسر.

 

 

خاتمة

وفي الختام، فإن إضافة الزركونيا يعزز بشكل كبير أداء مختلف أنواع السيراميك. سواء كان سيراميك الزركونيا نفسه، أو سيراميك الألومينا، أو سيراميك نيتريد السيليكون، أو سيراميك نيتريد الألومنيوم، فإن دمج كمية مناسبة من الزركونيا يحسن بشكل فعال الخصائص الرئيسية مثل المتانة والقوة ومقاومة الصدمات ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل. لا يؤدي هذا التحول إلى تعزيز التطبيق العملي للمواد الخزفية فحسب، بل يوسع أيضًا نطاق تطبيقها في مجالات التكنولوجيا المتقدمة مثل الجيش والطاقة والمعادن والإلكترونيات والاتصالات والسيارات والآلات. لذلك، تلعب الزركونيا، باعتبارها مادة مضافة أساسية للسيراميك، دورًا مهمًا في تعزيز الأداء الشامل للمواد الخزفية.