ジルコニアは、高い融点と沸点、そして硬度を特徴とし、常温では絶縁体ですが、高温では優れた導電性を示します。そのため、構造用セラミック材料としても機能用セラミック材料としても機能し、機械、電子、光学、生物学、触媒などのさまざまな分野での応用に大きな可能性を秘めています。さらに、ジルコニアは先端セラミックの製造において極めて重要な「補助的役割」を果たしており、少量のジルコニアを加えることで、他のセラミック材料の性能を大幅に向上させることができます。
I. ジルコニア強化アルミナ複合セラミックス
ZrO2 のマルテンサイト相変態特性により、セラミック材料の破壊靭性と曲げ強度が向上し、優れた機械的特性が付与されます。さらに、ジルコニアの低い熱伝導率と優れた耐熱衝撃性により、セラミック材料の脆性の問題を軽減できます。要約すると、強化は主に ZrO2 のマルテンサイト相変態を利用しており、正方晶構造から単斜晶構造への遷移中に発生するエネルギーを吸収し、亀裂の伝播と拡大を抑制します。
このメカニズムに基づき、ジルコニアを Al2O3 セラミックに導入すると、ジルコニア強化アルミナ (ZTA) セラミックが得られます。ZrO2 はAl2O3 セラミックの相変態強化およびマイクロクラック強化効果を示し、材料を強化および強靭化します。その結果、ZTA セラミックは構造用セラミックスの中で最も有望な材料の 1 つと考えられています。
II. ジルコニアがマグネシアセラミックスの耐熱衝撃性に与える影響
マグネシアセラミックは、優れた耐高温性、電気絶縁性、アルカリ金属スラグに対する強い耐性を備えています。マグネシウム、ニッケル、ウラン、トリウム、亜鉛、アルミニウム、鉄、銅、白金などの金属に対して化学的に不活性であるため、金属精錬用のるつぼ、金属鋳造用の鋳型、高温熱電対の保護管、高温炉のライニング材などの用途に適しています。ただし、急激な温度変化（熱衝撃）の条件下では、マグネシアセラミックの強度が大幅に低下し、剥離や脆化を引き起こし、使用時の安全性と信頼性が低下します。そのため、マグネシアセラミックの耐熱衝撃性を高め、高温での使用寿命を延ばすことは、実用上非常に重要です。
研究により、ナノ単斜晶系ジルコニアを添加すると、マグネシアセラミックスの微細構造の均一性が向上し、焼結温度が低下し、サンプルの緻密化が促進されることが明らかになりました。ナノ単斜晶系ジルコニアを添加したサンプルは、マイクロクラック強化、相転移強化、マイクロクラック偏向強化により、耐熱衝撃性が向上します。
III. 超硬質研磨材用セラミックバインダーに対するジルコニアの影響
低温セラミックバインダーは、高性能セラミック結合超硬質研磨材（ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素）の製造において重要な成分であり、その特性はこれらの研磨材の全体的な性能に直接影響します。超硬質研磨材のセラミックバインダーの基本的な性能要件には、高強度、低軟化温度および低融点、小さな熱膨張係数、および高温での良好な濡れ性が含まれます。さらに、超硬質研磨粒子の硬度と耐摩耗性が高いため、超硬質研磨材用のセラミックバインダーのほとんどは、比較的高い回転速度で使用されます。したがって、研磨粒子が研削性能を十分に発揮できるようにするには、超硬質研磨材用のセラミックバインダーは高い強度を備えている必要があります。
研究者らは、B2O3-Al2O3-SiO2 系をベースセラミックバインダーとして利用し、添加剤としてさまざまな量のナノ ZrO2 を加えることで、その含有量がセラミックバインダーの構造と特性に与える影響を研究しました。結果によると、ナノ ZrO2 の含有量が増加すると、含有量が 8% のときに全体的な性能がピークに達し、曲げ強度が 63.41 MPa、ロックウェル硬度が 129.8 HRC を示します。セラミックバインダーは、均一な気孔分布と良好な微細構造も示しています。
別の研究では、研究者らはNa2O-Al2O3-B2O3-SiO2ベースのガラスにZrO2を組み込んでセラミックバインダーを調製し、立方晶窒化ホウ素研磨材の性能に対するZrO2含有量の影響を調査しました。結果は、ZrO2含有量が増加するにつれて、高温流動性が低下し、ZrO2がガラス相での結晶化を促進することを示しました。ZrO2含有量が1％の場合、研磨試験片の硬度はHRB110.6に達し、曲げ強度は27.9％増加して68.23 MPaになりました。さらに、耐摩耗性が大幅に向上し、摩耗率は119％増加しました。
IV. コランダム系セラミックスに対するジルコニアの影響
コランダム系セラミック再生体は、優れた化学的安定性、耐高温性、耐浸食性、優れた強度など、いくつかの利点を備えています。しかし、脆くなりやすく、耐熱衝撃性に劣ります。現在、ナノ ZrO2 によるコランダム系セラミックの耐熱衝撃性の向上と強化に関する研究文献が豊富にあります。
ナノジルコニア強化コランダム系セラミック再生体の特性に関する研究により、ナノZrO2が第2相粒子としてセラミックマトリックス内に分散し、その強度と耐熱衝撃性を高めることが分かりました。ナノZrO2の強化効果は、その結晶相と密接に関係しています。導入されたZrO2がすべて立方相にある場合、相変態強化は起こらず、微小亀裂強化のみがもたらされます。逆に、適量の正方晶および単斜晶ZrO2相が存在すると、相変態強化と微小亀裂強化の相乗効果が得られ、コランダム系セラミック再生体の靭性が大幅に向上します。
V. ホットプレスAlNセラミックスの微細構造と機械的特性に対するジルコニアの影響
AlNセラミックスは、高い熱伝導率、優れた電気特性、低い熱膨張係数で知られており、回路パッケージ基板に最適な材料です。しかし、 Si3N4 やSiCなどのセラミックス材料と比較すると、AlNセラミックスは破壊靭性が低いため、耐熱衝撃性が低下し、加工が難しくなります。
ホットプレス焼結法でAlNセラミックを製造するために、Y2O3焼結助剤と組み合わせたナノZrO2粉末の添加に関する研究が行われました。その結果、ホットプレスAlNセラミックの相には、一次AlN相、Al5Y3O12粒界相、および新しいZrN相が含まれていることがわかりました。ZrO2の添加により、ホットプレスAlNセラミックのビッカース硬度はほとんど変化せず、破壊靭性は徐々に向上しました。
VI. ジルコニアドーピングがBaTiO3セラミックスの構造と誘電特性に与える影響
電子セラミックスは、電磁機能性セラミックスの一種として、近年大きな注目を集めています。その中でも、チタン酸バリウムセラミックスは、高い誘電率と優れた強誘電特性により、さまざまなセンサーやチップコンデンサーに広く使用されています。しかし、純粋なチタン酸バリウムのキュリー温度は120℃であり、室温での適用が制限されています。チタン酸バリウムベースのセラミック材料の誘電特性を高めるために、研究者はさまざまな酸化物のドーピングを研究し、ドーパント酸化物と材料特性の関係を部分的に理解しました。
研究者らは、BaCO3、TiO2、ZrO2を原料として、固相焼結によりZr含有量の異なるジルコン酸チタン酸バリウム（BZT）セラミックスを作製しました。ZrO2ドーピングが増加すると、BZTセラミックスの粒成長がより規則的になり、粒子が密集し、輪郭が明瞭になり、表面密度が高くなることが観察されています。室温環境でZr4+ドーピングレベルが20％の場合、BZTセラミックスは最高の誘電率と最低の誘電損失を示します。
結論
前述のセラミック以外にも、多くの研究者が他のセラミックシステムにおけるジルコニアの影響を調査してきました。たとえば、研究により、ZrO2 は主に粒界の第 2 相として存在し、ZnO 粒子と反応することなく粒成長を阻害することが明らかになっています。さらに、ZrO2 は低温で BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3 マイクロ波誘電セラミックの焼結を効果的に促進することがわかっています。
