چطور سرامیک را در برابر آسیب مستحکم تر کنیم؟ (بخش اول)

چطور سرامیک را در برابر آسیب مستحکم تر کنیم؟ | زیرکونیوم مناسب ترین ماده ساختار سرامیک در مقاومت سرامیک در برابر فرسودگی ویژگی های مطلوب فاز تتراگونال عنصر زیرکونیوم باعث شده این عنصر، جایگاه مناسب ترین ماده ساختار سرامیک کاربردی در شرایط دشوار فیزیکی را به خود اختصاص دهد.

زیرکونیوم ماده ای چند کاربردی است که ویژگی های جالب فیزیکی و شیمیایی این ماده همیشه مورد توجه صنایع مختلف می باشد. وقتی زیر کونیوم را با عنصر ایتریوم، پایدار یا تثبیت کنیم، در چندین صفت به ویژه برای کاربرد های صنعتی دشوار و همچنین برای مقاومت سرامیک در برابر فرسودگی و رشد ترک به ماده ای ارزشمند تبدیل می شود.

در ادامه با مجله سرام پخش همراه شوید تا با هم نکات بیشتری از بهبود ساختار سرامیک با زیرگونیای تثبیت شده با ایتریوم یاد بگیریم

بهبود تولرانس (تحمل) آسیب در مواد ساختاری سرامیک‌ها 

زیرگونیای 3 درصد مولی تثبیت شده با ایتریوم (ysz3) را در مقایسه با سرامیک‌های فنی دیگر به دلیل دارا بودن ویژگی های مکانیکی عالی مثل استحکام خمشی بالا و مقاومت خوب در برابر رشد ترک، سالهای سال به صورت وسیع در ساختار سرامیک ها استفاده می شود.

هم اکنون امکان استفاده از ماده ای متفاوت یعنی زیرگونیای 2 درصد مولی پایدار شده با ایتریوم (ysz2) وجود دارد که علاوه بر داشتن مزایای ماده قبلی یعنی (ysz3)، از مقادیر مقاومت بالاتری نسبت به رشد ترک برخوردار است.

در عین حال فاکتورهای تحمل آسیب و نیز مقاومت در برابر فرسودگی در این ماده جدید برای هر کاربردی که به مواد قدرتمند و با دوام نیاز داشته باشد، تقویت شده است.

فاز مونوکلینیک چیست؟

«کریستالوگرافی، سیستم بلوری مونوکلینیک یکی از هفت سیستم بلوری است. بلورها در این سیستم به سه محور با طول های نابرابر )مثلاً a ، b c) ارجاع می شوند که a عمود بر b و c است، اما b و c عمود یکدیگر نیستند.

در سیستم مونوکلینیک، کریستال توسط بردارهایی با طول نابرابرتوصیف می شود. آنها یک منشور مستطیل شکل را تشکیل می دهند که یک پایه متوازی الاضلاع به عنوان پایه آن است»

فاز تتراگونال چیست؟

«در کریستالوگرافی، سیستم تتراگونال یا بلور چهار ضلعی یکی دیگر از 7 سیستم بلوری است. شبکه های کریستالی تتراگونال از کشش یک شبکه مکعبی در امتداد یکی از بردارهای شبکه آن حاصل می شوند، به طوری که مکعب به یک منشور مستطیل شکل با یک قاعده مربع تبدیل می گردد»

تحول فاز زیر گونیا

در دمای اتاق، زیرگونیا در فاز مونوکلینیک قرار دارد اما در دماهای بالاتر از 1175 درجه سانتیگراد به فاز تتراگونال تغییر شکل می دهد. این تحول فاز زیرگونیا باعث می شود ویژگی های این عنصر که شامل مقاومت عالی در برابر فرسودگی، استحکام خمشی و سازه ای بالا، و پایداری و دوام فوق العاده می شود، اصلاح شود.

این خصوصیاتِ مطلوبِ فاز تتراگونال زیرگونیا، آن را در جایگاه ماده ای مطلوب در ساخت سرامیک هایی قرار می دهد که در شرایط سخت و پرزحمت فیزیکی به کار می روند.

بنابراین برای بهبود تولرانس (تحمل) آسیب در ماده ساختاری سرامیک‌ها، نکته کلیدی این است که زیرگونیا را در وضعیت تتراگونال در چارچوب گستره دمایی مفید حفظ کنیم چگونه؟

به کمک فرآیندی به نام دوپینگ یا آلایش که شامل اضافه کردن اکسیدها به ساختار بلوری زیرگونیا می شود، امکان انجام این کار را فراهم می شود. با آن که می توان برای تثبیت فاز تتراگونال در دماهای بالاتر، از اکسیدهای گوناگون مثل (Ceo2 , Mgo , Cao) استفاده کرد، ایتریوم (y2o3) به خاطر قابلیت بالای حل شوندگی آن در شبکه زیرکونیوم، بیش از دیگر عناصر به کار می رود.

در طی فرآیند آلایش، برای تشکیل زیرکونیوم پایدار شده با ایتریوم، برخی از یون های این فاز (با عدد اکسایش 4)  در شبکه بلوری جایگزین یون های ایتریوم (با عدد اکسایش 3) می‌شوند که اندکی بزرگتر هستند. زیرگونیای پایدار شده یا ایتریوم ysz تمامی ویژگی های مطلوب فاز تتراگونال زیرکونیوم را در دمای اتاق نشان می دهد و باعث می‌شود برای استفاده در شرایط کاری عادی گزینه‌ای مناسب باشد.

به حداقل رساندن مقدار ایتریوم به منظور به حداکثر رساندن مقاومت سرامیک در برابر ترک خوردگی

مقادیر آلاینده ایتریومی را که برای تثبیت زیرکونیوم به کار می رود، بر اساس خصوصیات مورد نظر محصول نهایی سرامیک تولیدی می توان تغییر داد تا ساختارهای بلوری مختلفی به دست آید. کاستن از مقدار ایتریوم پایدار کننده منجر به افزایش آشکار در مقاومت به رشد ترک می شود که تولیدکنندگان برای ارتقاء عملکرد عناصر محصول خود به شدت به دنبال آن هستند.

با این حال، زیرکونیومی که با مقادیر کم ایتریوم پایدار شود، مقاومت کمتری در مقابل فرسودگی پیدا می کند و استحکام خمشی آن کاهش می یابد. اما تولید فرمول ysz2 در فرآیندی اختصاصی باعث می شود تمامی ویژگی های مکانیکی مطلوب زیرکونیوم‌های با کیفیت تر حاوی ایتریوم حفظ شود.

اینستاگرام ما را دنبال کنید