ジルコニアは 、優れた性能と酸・アルカリ耐性を備えた無機非金属材料です。安定した化学的性質、高い融点、低い熱伝導率、硬度、高強度、耐摩耗性を誇ります。その優れた特性により、ジルコニアとその製品は、構造用セラミック、機能性セラミック、バイオセラミック、遮熱コーティングの主要原料の 1 つとなり、軍事、エネルギー、冶金、電子、通信、自動車、機械などのハイテク分野で幅広い応用の可能性を示しています。
他のセラミック材料の性能を向上させる添加剤としてのジルコニアの応用
I. ジルコニアセラミックスへの影響
ナノジルコニアは、通常のジルコニア製品の性能に良い影響を与えます。
異なる含有量のCaO安定剤を電融単斜晶系ジルコニア原料に添加することにより、焼成後のサンプルの鉱物相組成、見かけの気孔率、および圧縮強度を分析して、最適なCaO安定剤の量を決定しました。最適なCaO安定剤の添加に基づいて、ナノジルコニア粉末を組み込み、ジルコニア製品の性能への影響を調査しました。結果は、最適なサンプル（3Ca-PSZ）へのナノジルコニア粉末の添加が増加すると、見かけの気孔率が減少し、焼結収縮率が増加し、圧縮強度が向上することを示しました。具体的には、ナノジルコニア粉末の添加率が8wt％に達すると、サンプルの気孔率は9.4％、嵩密度は5.08g / cm3、圧縮強度は381MPaを示しました。3Ca-PSZサンプルと比較して、気孔率は40％減少し、嵩密度は5％増加し、圧縮強度は70％向上しました。
II. アルミナセラミックスへの影響
Al2O3 セラミックは、高強度、高硬度、耐摩耗性、耐酸化性、耐熱衝撃性などの優れた特性を備えているため、機械、電子、化学業界で広く使用されています。純粋な Al2O3 セラミックは高温性能に優れていますが、靭性が不十分で耐衝撃性が低いため、切断時に小さな欠けが生じることがよくあります。Al2O3 マトリックスにジルコニアを追加することで、ジルコニア強化アルミナ (ZTA) セラミックはこれらの問題を大幅に改善できます。
ZTAセラミックでは、ZrO2粒子がAl2O3マトリックス内に均一に分散しています。温度が変化すると、ZrO2粒子はマルテンサイト相転移に属する相転移を起こし、体積膨張とせん断ひずみを引き起こし、引張応力とマイクロクラックの形成につながります。一部の小さなZrO2粒子は、引張応力下でマイクロクラックを生成します。これらのクラックは小さな粒子内に閉じ込められ、その発生と伝播は外部応力場からのエネルギーを消費し、それによってAl2O3セラミックの靭性と強度を高めます。したがって、ZTAセラミックは有望なセラミック材料です。
III. 窒化ケイ素セラミックスへの影響
窒化ケイ素セラミックは、 高強度、高硬度、耐摩耗性、耐腐食性、耐クリープ性などの優れた特性により、最も包括的な構造セラミック材料と考えられています。しかし、その固有の脆さが、広範な市場への応用を妨げています。多くの学者が ZrO2 強化 Si3N4 セラミックを研究し、大きな進歩を遂げてきました。
ZrO2-Si3N4複合セラミック材料は、無加圧焼結により製造され、変位法、SEM、およびDDL110万能引張試験機を使用して特性評価されました。ZrO2含有量がSi3N4セラミックの密度、微細構造、および機械的特性に与える影響を調査しました。結果は、ZrO2含有量が増加すると、Si3N4セラミックの密度が増加し、曲げ強度と破壊靭性の両方が最初は増加し、その後減少することを示しました。ZrO2含有量が10％に達すると、Si3N4の曲げ強度と破壊靭性は同時に最大値に達し、それぞれ362MPaと7.0MPa·m1/2でした。
IV. 窒化アルミニウム（AlN）セラミックスへの影響
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あると考えられています。しかし、Si3N4やSiC、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、機械加工が難しくなります。
ナノ ZrO2 粉末を組み込み、焼結助剤として Y2O3 を利用することで、ホットプレス焼結により AlN セラミックスを製造しました。その結果、ZrO2 添加後のホットプレス AlN セラミックスの相組成は、主 AlN 相、Al5Y3O12 粒界相、および新しい ZrN 相で構成されていることが明らかになりました。ZrO2 の添加により、ホットプレス AlN セラミックスのビッカース硬度はほとんど変化しませんでしたが、破壊靭性は徐々に向上しました。この向上は主に、添加された ZrO2 と AlN 間の高温反応により ZrN が形成されたことに起因しています。この変化により、AlN セラミックスの単一の粒界破壊モードから、粒界破壊と粒内破壊の両方を含む混合破壊モードに移行し、粒界が強化され、破壊靭性が向上します。
結論
結論として、ジルコニアの添加は、さまざまなタイプのセラミックの性能を大幅に向上させます。ジルコニアセラミック自体、アルミナセラミック、窒化ケイ素セラミック、窒化アルミニウムセラミックのいずれであっても、適切な量のジルコニアを組み込むと、靭性、強度、耐衝撃性、耐摩耗性、耐腐食性などの重要な特性が効果的に向上します。この変化は、セラミック材料の実用性を高めるだけでなく、軍事、エネルギー、冶金、電子、通信、自動車、機械などのハイテク分野での応用範囲を広げます。したがって、ジルコニアは、必須のセラミック添加剤として、セラミック材料の総合的な性能を高める上で重要な役割を果たします。
