Zirkonoxid ist ein anorganisches, nichtmetallisches Material mit hervorragender Leistung und Säure-Basen-Beständigkeit. Es zeichnet sich durch stabile chemische Eigenschaften, einen hohen Schmelzpunkt, geringe Wärmeleitfähigkeit, Härte, hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Aufgrund seiner bemerkenswerten Eigenschaften sind Zirkonoxid und seine Produkte zu einem der wichtigsten Rohstoffe für Strukturkeramik, Funktionskeramik, Biokeramik und Wärmedämmschicht geworden und bieten breite Anwendungsaussichten in Hightech-Bereichen wie Militär , Energie, Metallurgie , Elektronik , Kommunikation , Automobil und Maschinenbau.
Die Anwendung von Zirkonoxid als Zusatzstoff zur Verbesserung der Leistung anderer keramischer Materialien
I. Auswirkungen auf Zirkonoxidkeramik
Nanozirkonia übt einen positiven Einfluss auf die Leistung gewöhnlicher Zirkoniaprodukte aus.
Durch Zugabe unterschiedlicher Anteile von CaO-Stabilisator zum elektrogeschmolzenen monoklinen Zirkonoxid-Rohmaterial wurde die optimale Menge an CaO-Stabilisator durch Analyse der Mineralphasenzusammensetzung, der scheinbaren Porosität und der Druckfestigkeit der Proben nach dem Brennen ermittelt. Basierend auf der optimalen Zugabe des CaO-Stabilisators wurde Nano-Zirkonoxidpulver eingearbeitet, um dessen Wirkung auf die Leistung von Zirkonoxidprodukten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Zugabe von Nano-Zirkonoxidpulver zur optimalen Probe (3Ca-PSZ) die scheinbare Porosität abnahm, die Sinterschrumpfungsrate zunahm und die Druckfestigkeit verbessert wurde. Insbesondere bei einer Zugabe von Nano-Zirkonoxidpulver von 8 Gewichtsprozent wies die Probe eine Porosität von 9,4 %, eine Schüttdichte von 5,08 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 381 MPa auf. Im Vergleich zur 3Ca-PSZ-Probe nahm die Porosität um 40 % ab, die Schüttdichte nahm um 5 % zu und die Druckfestigkeit verbesserte sich um 70 %.
II. Auswirkungen auf Aluminiumoxidkeramik
Al2O3-Keramiken werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit häufig in der Maschinenbau-, Elektronik- und Chemieindustrie eingesetzt. Während reine Al2O3-Keramiken eine gute Hochtemperaturleistung aufweisen, leiden sie unter unzureichender Zähigkeit und geringer Schlagfestigkeit, was beim Schneiden häufig zu geringfügigen Absplitterungen führt. Durch die Zugabe von Zirkonoxid zur Al2O3-Matrix können Zirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxid-Keramiken (ZTA) diese Probleme deutlich verbessern.
In ZTA-Keramiken sind ZrO2-Partikel gleichmäßig in der Al2O3-Matrix verteilt. Bei Temperaturänderungen durchlaufen ZrO2-Partikel Phasenübergänge, die zum martensitischen Phasenübergang gehören, was zu Volumenausdehnung und Scherspannung führt, was zur Bildung von Zugspannungen und Mikrorissen führt. Einige kleine ZrO2-Partikel erzeugen unter Zugspannung Mikrorisse. Diese Risse sind auf kleine Körner beschränkt, und ihre Entstehung und Ausbreitung verbrauchen Energie aus dem äußeren Spannungsfeld, wodurch die Zähigkeit und Festigkeit von Al2O3-Keramiken verbessert wird. Daher ist ZTA-Keramiken ein vielversprechendes Keramikmaterial.
III. Auswirkungen auf Siliziumnitridkeramiken
Siliziumnitridkeramiken gelten aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kriechfestigkeit als das umfassendste Strukturkeramikmaterial. Ihre inhärente Sprödigkeit verhindert jedoch ihre breite Marktanwendung. Zahlreiche Wissenschaftler haben ZrO2-verstärkte Si3N4-Keramiken untersucht und bedeutende Fortschritte erzielt.
ZrO2-Si3N4-Verbundkeramiken wurden durch druckloses Sintern hergestellt und mithilfe des Verschiebungsverfahrens, SEM und der Universalzugprüfmaschine DDL110 charakterisiert. Der Einfluss des ZrO2-Gehalts auf die Dichte, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von Si3N4-Keramiken wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmendem ZrO2-Gehalt die Dichte von Si3N4-Keramiken zunahm; sowohl Biegefestigkeit als auch Bruchzähigkeit nahmen zunächst zu und nahmen dann ab. Als der ZrO2-Gehalt 10 % erreichte, erreichten die Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit von Si3N4 gleichzeitig ihre Höchstwerte von 362 MPa bzw. 7,0 MPa·m1/2.
IV. Auswirkungen auf Aluminiumnitrid (AlN)-Keramiken
AlN-Keramiken sind für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit, ihre hervorragenden elektrischen Eigenschaften und ihren niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt und werden oft als ideales Material für Substrate zur Schaltungsverpackung angesehen. Im Vergleich zu keramischen Materialien wie Si3N4 undSiCweisen AlN-Keramiken jedoch eine geringere Bruchzähigkeit auf, was ihre Wärmeschockbeständigkeit beeinträchtigt und die Bearbeitung erschwert.
Durch Einarbeitung von Nano-ZrO2-Pulver und Verwendung von Y2O3 als Sinterhilfe wurden AlN-Keramiken durch Heißpresssintern hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Phasenzusammensetzung der heißgepressten AlN-Keramiken nach Zugabe von ZrO2 aus der primären AlN-Phase, der Al5Y3O12-Korngrenzenphase und einer neuen ZrN-Phase besteht. Durch die Zugabe von ZrO2 blieb die Vickershärte der heißgepressten AlN-Keramiken weitgehend unverändert, während sich ihre Bruchzähigkeit allmählich verbesserte. Diese Verbesserung ist hauptsächlich auf die Hochtemperaturreaktion zwischen dem zugegebenen ZrO2 und AlN zurückzuführen, die zur Bildung von ZrN führt. Diese Umwandlung führt zu einer Verschiebung von einem einzelnen intergranularen Bruchmodus in AlN-Keramiken zu einem gemischten Bruchmodus, der sowohl intergranulare als auch transgranulare Brüche umfasst, die Korngrenzen stärkt und anschließend die Bruchzähigkeit verbessert.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zugabe von Zirkonoxid die Leistung verschiedener Keramikarten deutlich verbessert. Ob Zirkonoxidkeramik selbst, Aluminiumoxidkeramik, Siliziumnitridkeramik oder Aluminiumnitridkeramik – die Einarbeitung einer angemessenen Menge Zirkonoxid verbessert effektiv wichtige Eigenschaften wie Zähigkeit, Festigkeit, Schlagfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Umwandlung verbessert nicht nur die Praktikabilität keramischer Materialien, sondern erweitert auch ihren Anwendungsbereich in Hightech-Bereichen wie Militär, Energie, Metallurgie, Elektronik, Telekommunikation, Automobil und Maschinenbau. Daher spielt Zirkonoxid als wesentlicher Keramikzusatz eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Gesamtleistung keramischer Materialien.
