Zirkonoxid zeichnet sich durch seine hohen Schmelz- und Siedepunkte sowie seine Härte aus. Bei Raumtemperatur ist es ein Isolator, weist jedoch bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf. Daher bietet es ein enormes Potenzial für Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Mechanik, Elektronik , Optik, Biologie und Katalyse und dient sowohl als struktureller als auch als funktioneller Keramikwerkstoff. Darüber hinaus spielt Zirkonoxid eine entscheidende „unterstützende Rolle“ bei der Herstellung von Hochleistungskeramiken, bei denen die Zugabe einer kleinen Menge Zirkonoxid die Leistung anderer Keramikmaterialien erheblich verbessern kann.
I. Zirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxid-Verbundkeramik
Die martensitische Phasenumwandlungseigenschaft von ZrO2 verbessert die Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit von Keramikmaterialien und verleiht ihnen hervorragende mechanische Eigenschaften. Darüber hinaus können die geringe Wärmeleitfähigkeit und die ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit von Zirkonoxid das Sprödigkeitsproblem von Keramikmaterialien lindern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Härten hauptsächlich die martensitische Phasenumwandlung von ZrO2 genutzt wird, die die beim Übergang von der tetragonalen Struktur zur monoklinen Struktur erzeugte Energie absorbiert und so die Rissausbreitung und -erweiterung verhindert.
Basierend auf diesem Mechanismus resultiert die Einführung von Zirkonoxid in Al2O3-Keramik in Zirkonoxid-verstärkter Aluminiumoxidkeramik (ZTA) . ZrO2 weist in Al2O3-Keramik Phasenumwandlungs- und Mikroriss-Verstärkungseffekte auf , wodurch das Material gestärkt und widerstandsfähiger wird. Aus diesem Grund gelten ZTA-Keramiken als eines der vielversprechendsten Materialien in der Strukturkeramik.
II. Der Einfluss von Zirkonoxid auf die Thermoschockbeständigkeit von Magnesia-Keramiken
Magnesia-Keramik besitzt eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit, elektrische Isolierung und hohe Beständigkeit gegen alkalische Metallschlacken. Sie ist chemisch inert gegenüber Metallen wie Magnesium, Nickel, Uran, Thorium, Zink, Aluminium, Eisen, Kupfer und Platin und eignet sich daher für Anwendungen wie Tiegel zum Schmelzen von Metallen, Formen für Metallguss, Schutzrohre für Hochtemperatur-Thermoelemente und Auskleidungsmaterialien für Hochtemperaturöfen. Unter Bedingungen schneller Temperaturänderungen (Thermoschock) nimmt die Festigkeit von Magnesia-Keramik jedoch erheblich ab, was zu Abplatzungen oder sogar Sprödigkeit führt und dadurch ihre Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit verringert. Daher sind die Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit von Magnesia-Keramik und die Verlängerung ihrer Lebensdauer bei hohen Temperaturen von erheblicher praktischer Bedeutung.
Untersuchungen haben ergeben, dass die Zugabe von nanomonoklinem Zirkoniumdioxid die mikrostrukturelle Einheitlichkeit von Magnesiakeramiken verbessern, die Sintertemperaturen senken und die Probenverdichtung fördern kann. Proben mit nanomonoklinem Zirkoniumdioxidzusatz weisen eine verbesserte Wärmeschockbeständigkeit durch Mikrorisshärtung, Phasenumwandlungshärtung und Mikrorissablenkungshärtung auf.
III. Der Einfluss von Zirkonoxid auf keramische Bindemittel für superharte Schleifmittel
Niedertemperatur-Keramikbindemittel sind eine entscheidende Komponente bei der Herstellung von hochleistungsfähigen keramikgebundenen superharten Schleifmitteln (Diamant, kubisches Bornitrid), und ihre Eigenschaften beeinflussen direkt die Gesamtleistung dieser Schleifmittel. Zu den grundlegenden Leistungsanforderungen für Keramikbindemittel in superharten Schleifmitteln gehören hohe Festigkeit, niedrige Erweichungs- und Schmelztemperaturen, kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten und gute Benetzungseigenschaften bei hohen Temperaturen. Aufgrund der hohen Härte und Verschleißfestigkeit superharter Schleifmittelpartikel werden die meisten Keramikbindemittel für superharte Schleifmittel außerdem bei relativ hohen Rotationsgeschwindigkeiten verwendet. Um sicherzustellen, dass Schleifmittelpartikel ihre Schleifleistung voll entfalten können, müssen Keramikbindemittel für superharte Schleifmittel daher eine hohe Festigkeit aufweisen.
Unter Verwendung des B2O3-Al2O3-SiO2-Systems als Basiskeramikbindemittel und Zugabe unterschiedlicher Mengen von Nano-ZrO2 als Zusatzstoff haben Forscher die Auswirkungen seines Gehalts auf die Struktur und Eigenschaften von Keramikbindemitteln untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Nano-ZrO2-Gehalt die Gesamtleistung bei einem Gehalt von 8 % ihren Höhepunkt erreicht und eine Biegefestigkeit von 63,41 MPa und eine Rockwell-Härte von 129,8 HRC aufweist. Das Keramikbindemittel weist außerdem eine gleichmäßige Porenverteilung und eine gute Mikrostruktur auf.
In einer anderen Studie stellten Forscher keramische Bindemittel her, indem sie ZrO2 in ein Glas auf Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2-Basis einarbeiteten, und untersuchten die Wirkung des ZrO2-Gehalts auf die Leistung von Schleifmitteln aus kubischem Bornitrid. Die Ergebnisse zeigten, dass mit steigendem ZrO2-Gehalt die Hochtemperaturfluidität abnimmt und ZrO2 die Kristallisation in der Glasphase fördert. Bei einem ZrO2-Gehalt von 1 % erreicht die Härte des Schleifteststreifens HRB110,6 und die Biegefestigkeit steigt um 27,9 % auf 68,23 MPa. Darüber hinaus verbessert sich die Verschleißfestigkeit deutlich, wobei die Verschleißrate um 119 % steigt.
IV. Der Einfluss von Zirkonoxid auf Korundkeramiken
Auf Korund basierende keramische Regenerationskörper besitzen mehrere Vorteile, darunter ausgezeichnete chemische Stabilität, hohe Temperaturbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit und überlegene Festigkeit. Sie neigen jedoch zu Sprödigkeit und schlechter Thermoschockbeständigkeit. Derzeit gibt es eine Fülle von Literatur, die sich mit der Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit und der Härtung von auf Korund basierenden Keramiken durch Nano-ZrO2 beschäftigt.
Durch die Erforschung der Eigenschaften von nanozirkoniumoxidverstärkten regenerativen Keramikkörpern auf Korundbasis wurde festgestellt, dass Nano-ZrO2 als Partikel der zweiten Phase in der Keramikmatrix dispergiert ist, was deren Festigkeit und Wärmeschockbeständigkeit verbessert. Die härtende Wirkung von Nano-ZrO2 hängt eng mit seiner kristallinen Phase zusammen. Wenn das gesamte eingeführte ZrO2 in der kubischen Phase vorliegt, tritt keine Phasenumwandlungshärtung auf, was nur zu einer geringen Mikrorisshärtung führt. Umgekehrt führt das Vorhandensein einer angemessenen Menge tetragonaler und monokliner ZrO2-Phasen zu einem synergistischen Effekt der Phasenumwandlungshärtung und Mikrorisshärtung, wodurch die Zähigkeit des regenerativen Keramikkörpers auf Korundbasis deutlich verbessert wird.
V. Der Einfluss von Zirkonoxid auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von heißgepresster AlN-Keramik
AlN-Keramiken sind für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit, ihre hervorragenden elektrischen Eigenschaften und ihren niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt und eignen sich daher ideal als Substrat für Schaltungsgehäuse. Im Vergleich zu Keramikmaterialien wie Si3N4 und SiC weisen AlN-Keramiken jedoch eine geringere Bruchzähigkeit auf, was ihre Wärmeschockbeständigkeit beeinträchtigt und die Bearbeitung erschwert.
Es wurden Untersuchungen durchgeführt, bei denen Nano-ZrO2-Pulver in Kombination mit Y2O3-Sinterhilfsmitteln hinzugefügt wurde, um AlN-Keramiken durch Heißpresssintern herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Phasen der heißgepressten AlN-Keramik die primäre AlN-Phase, die Al5Y3O12-Korngrenzenphase und die neue ZrN-Phase umfassen. Durch die Zugabe von ZrO2 bleibt die Vickershärte der heißgepressten AlN-Keramik weitgehend unverändert, während sich ihre Bruchzähigkeit allmählich verbessert.
VI. Der Einfluss der Zirkoniumdioxiddotierung auf die Struktur und die dielektrischen Eigenschaften von BaTiO3-Keramiken
Elektronische Keramiken als eine Art elektromagnetischer Funktionskeramiken haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Unter ihnen wird Bariumtitanatkeramik aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante und hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften häufig in verschiedenen Sensoren und Chipkondensatoren verwendet. Die Curietemperatur von reinem Bariumtitanat beträgt jedoch 120 °C, was seine Anwendbarkeit bei Raumtemperatur einschränkt. Um die dielektrischen Eigenschaften von keramischen Materialien auf Bariumtitanatbasis zu verbessern, haben Forscher die Dotierung verschiedener Oxide untersucht, was zu einem teilweisen Verständnis der Beziehung zwischen Dotierungsoxiden und Materialeigenschaften führte.
Unter Verwendung von BaCO3, TiO2 und ZrO2 als Rohstoffen haben Forscher durch Festphasensintern Bariumzirkonattitanat (BZT)-Keramiken mit unterschiedlichem Zr-Gehalt hergestellt. Es wurde beobachtet, dass mit zunehmender ZrO2-Dotierung das Kornwachstum von BZT-Keramiken regelmäßiger wird, mit eng angeordneten Partikeln, klaren Konturen und einer hohen Oberflächendichte. Bei einem Zr4+-Dotierungsgrad von 20 % in Umgebungen mit Raumtemperatur weisen BZT-Keramiken die höchste Dielektrizitätskonstante und den geringsten Dielektrizitätsverlust auf.
Abschluss
Abgesehen von den oben genannten Keramiken haben zahlreiche Forscher auch den Einfluss von Zirkonoxid in anderen Keramiksystemen untersucht. Studien haben beispielsweise ergeben, dass ZrO2 hauptsächlich als zweite Phase in den Korngrenzen vorliegt und das Kornwachstum hemmt, ohne mit ZnO-Körnern zu reagieren. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass ZrO2 das Sintern von BaCo0,194Zn0,116Nb0,69O3 Mikrowellen-Dielektrikumkeramik bei niedrigen Temperaturen effektiv fördert.
