Инженерные свойства диоксида циркония

Введение

Диоксид циркония (ZrO2), широко известный как диоксид циркония, представляет собой белый кристаллический оксид с многогранными сферами применения - от синтеза драгоценных камней до использования в качестве имитатора алмаза. В этом исследовании мы изучаем инженерные свойства циркония, раскрывая его кристаллические структуры, фазы и критическую роль стабилизирующих допантов.

Кристаллические структуры и фазовые переходы

В своем естественном виде диоксид циркония обладает моноклинной кристаллической структурой, как это наблюдается в минерале бадделеит. Примечательно, что при комнатной температуре он принимает моноклинную фазу, но при более высоких температурах переходит в тетрагональную и кубическую структуры. Возникающие при этих переходах изменения объема вызывают напряжения, что приводит к возможному растрескиванию при охлаждении от повышенных температур. Стабилизация тетрагональной и кубической фаз достигается путем введения таких легирующих добавок, как оксид магния, оксид иттрия, оксид кальция и оксид церия (III).

Стабилизация и эффективные допанты

Полезность диоксида циркония часто достигает максимума в его стабилизированной фазе, которая смягчает разрушительные фазовые изменения при нагревании. Иттрий, добавленный в небольших количествах, оказывается эффективным легирующим веществом. Эта добавка устраняет нежелательные фазовые переходы, наделяя материал улучшенными тепловыми, механическими и электрическими свойствами. Тетрагональная фаза, находясь в метастабильном состоянии, может подвергаться трансформационному закаливанию - механизму, который сжимает трещины, замедляет их рост и значительно повышает сопротивление разрушению, тем самым увеличивая надежность и срок службы изделий, в которых используется стабилизированный диоксид циркония.

Изменчивость полосовой щели

Полоса пропускания ZrO2 зависит от его фазы (кубической, тетрагональной, моноклинной или аморфной) и методов получения. Оцениваемая в диапазоне 5-7 эВ (0,80-1,12 аДж), полосовая щель изменяется в зависимости от кристаллической структуры, влияя на электронные свойства материала.

Тетрагональный поликристалл диоксида циркония (TZP)

Примечательным проявлением диоксида циркония является поликристалл тетрагонального диоксида циркония(TZP), обозначающий поликристаллическую форму, состоящую исключительно из метастабильной тетрагональной фазы. Эта уникальная конфигурация имеет большое значение для материаловедения, демонстрируя потенциал циркония в различных областях применения.

Заключение

Цирконий с его интригующими кристаллическими структурами, фазовыми переходами и замечательным влиянием стабилизирующих допантов предстает как керамическое чудо с беспрецедентными инженерными свойствами. Стратегическое использование добавок не только улучшает его термические и механические свойства, но и демонстрирует его потенциал для революционных преобразований в различных отраслях промышленности, от создания драгоценных камней до передовых инженерных приложений. Stanford Advanced Materials продолжает вносить свой вклад в развитие материаловедения, продвигая понимание и применение диоксида циркония к новым высотам.