La zircone , caractérisée par ses points de fusion et d'ébullition élevés, ainsi que par sa dureté, est un isolant à température ambiante mais présente une excellente conductivité électrique à haute température. Par conséquent, il présente un immense potentiel d’applications dans divers domaines tels que la mécanique, l’électronique , l’optique, la biologie et la catalyse, servant à la fois de matériaux céramiques structurels et fonctionnels. De plus, la zircone joue un « rôle de soutien » essentiel dans la production de céramiques avancées, où l’ajout d’une petite quantité de zircone peut améliorer considérablement les performances d’autres matériaux céramiques.
I. Céramique composite d'alumine renforcée à la zircone
La propriété de transformation de phase martensitique du ZrO2 améliore la ténacité à la rupture et la résistance à la flexion des matériaux céramiques, leur conférant d'excellentes propriétés mécaniques. De plus, la faible conductivité thermique de la zircone et son excellente résistance aux chocs thermiques peuvent atténuer le problème de fragilité des matériaux céramiques. En résumé, le durcissement utilise principalement la transformation de phase martensitique du ZrO2, qui absorbe l'énergie générée lors de la transition de la structure tétragonale à la structure monoclinique, inhibant ainsi la propagation et l'extension des fissures.
Sur la base de ce mécanisme, l'introduction de zircone dans la céramique Al2O3 donne lieu à des céramiques d'alumine renforcée à la zircone (ZTA) . ZrO2 présente des effets de trempe par transformation de phase et de trempe par microfissures dans les céramiques Al2O3 , renforçant et durcissant le matériau. En conséquence, les céramiques ZTA sont considérées comme l’un des matériaux les plus prometteurs dans le domaine des céramiques structurelles.
II. L'impact de la zircone sur la résistance aux chocs thermiques des céramiques de magnésie
La céramique de magnésie possède une excellente résistance aux températures élevées, une isolation électrique et une forte résistance aux scories de métaux alcalins. Il est chimiquement inerte vis-à-vis des métaux tels que le magnésium, le nickel, l'uranium, le thorium, le zinc, l'aluminium, le fer, le cuivre et le platine, ce qui le rend adapté aux applications telles que les creusets pour la fusion des métaux, les moules pour la coulée des métaux, les tubes de protection pour les thermocouples à haute température. et matériaux de revêtement pour fours à haute température. Cependant, dans des conditions de changements rapides de température (choc thermique), la résistance de la céramique de magnésie diminue considérablement, entraînant un effritement voire une fragilité, réduisant ainsi sa sécurité et sa fiabilité de service. Par conséquent, l’amélioration de la résistance aux chocs thermiques de la céramique de magnésie et la prolongation de sa durée de vie à des températures élevées revêtent une importance pratique considérable.
La recherche a révélé que l'ajout de zircone nano-monoclinique peut améliorer l'uniformité microstructurale des céramiques de magnésie, réduire les températures de frittage et favoriser la densification des échantillons. Les échantillons avec des ajouts de zircone nano-monoclinique présentent une résistance améliorée aux chocs thermiques grâce au durcissement par microfissure, au durcissement par transformation de phase et au durcissement par déflexion par microfissure.
III. L'impact de la zircone sur les liants céramiques pour les abrasifs très durs
Les liants céramiques à basse température sont un élément crucial dans la préparation d'abrasifs ultra-durs à liant céramique haute performance (diamant, nitrure de bore cubique), et leurs propriétés influencent directement les performances globales de ces abrasifs. Les exigences de performance de base pour les liants céramiques dans les abrasifs ultra-durs comprennent une résistance élevée, de faibles températures de ramollissement et de fusion, de faibles coefficients de dilatation thermique et de bonnes propriétés de mouillage à haute température. De plus, en raison de la dureté et de la résistance à l’usure élevées des particules abrasives ultra-dures, la plupart des liants céramiques pour abrasifs ultra-durs sont utilisés à des vitesses de rotation relativement élevées. Par conséquent, pour garantir que les particules abrasives puissent exercer pleinement leurs performances de meulage, les liants céramiques pour abrasifs très durs doivent posséder une résistance élevée.
En utilisant le système B2O3-Al2O3-SiO2 comme liant céramique de base et en ajoutant diverses quantités de nano-ZrO2 comme additif, les chercheurs ont étudié l'effet de son contenu sur la structure et les propriétés des liants céramiques. Les résultats indiquent qu'avec l'augmentation de la teneur en nano-ZrO2, les performances globales atteignent leur apogée lorsque la teneur est de 8 %, présentant une résistance à la flexion de 63,41 MPa et une dureté Rockwell de 129,8 HRC. Le liant céramique présente également une répartition uniforme des pores et une bonne microstructure.
Dans une autre étude, des chercheurs ont préparé des liants céramiques en incorporant du ZrO2 dans un verre à base de Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 et ont étudié l'effet de la teneur en ZrO2 sur les performances des abrasifs au nitrure de bore cubique. Les résultats ont montré qu’à mesure que la teneur en ZrO2 augmente, la fluidité à haute température diminue et que ZrO2 favorise la cristallisation dans la phase vitreuse. Lorsque la teneur en ZrO2 est de 1 %, la dureté de la bandelette de test abrasive atteint HRB110,6 et la résistance à la flexion augmente de 27,9 % pour atteindre 68,23 MPa. De plus, la résistance à l'usure s'améliore considérablement, avec une augmentation du taux d'usure de 119 %.
IV. L'impact de la zircone sur les céramiques à base de corindon
Les corps régénératifs en céramique à base de corindon possèdent plusieurs avantages, notamment une excellente stabilité chimique, une résistance aux températures élevées, une résistance à l'érosion et une résistance supérieure. Cependant, ils sont sujets à la fragilité et à une mauvaise résistance aux chocs thermiques. Il existe actuellement une abondante littérature explorant l’amélioration de la résistance aux chocs thermiques et le renforcement des céramiques à base de corindon grâce au nano-ZrO2.
Grâce à des recherches sur les propriétés des corps régénératifs céramiques à base de corindon renforcés par des nano-zircones, il a été découvert que le nano-ZrO2, en tant que particule de deuxième phase, est dispersé dans la matrice céramique, améliorant ainsi sa résistance et sa résistance aux chocs thermiques. L’effet durcisseur du nano-ZrO2 est étroitement lié à sa phase cristalline. Lorsque tout le ZrO2 introduit est dans la phase cubique, la trempe par transformation de phase ne se produit pas, ce qui entraîne seulement une trempe mineure par microfissures. À l’inverse, la présence d’une quantité appropriée de phases ZrO2 tétragonales et monocliniques conduit à un effet synergique de trempe par transformation de phase et de trempe par microfissures, améliorant considérablement la ténacité du corps régénérateur céramique à base de corindon.
V. L'impact de la zircone sur la microstructure et les propriétés mécaniques des céramiques AlN pressées à chaud
Les céramiques AlN , réputées pour leur conductivité thermique élevée, leurs excellentes propriétés électriques et leur faible coefficient de dilatation thermique, sont des matériaux idéaux pour les substrats de conditionnement de circuits. Cependant, par rapport aux matériaux céramiques tels que Si3N4 et SiC , les céramiques AlN présentent une ténacité à la rupture inférieure, ce qui compromet leur résistance aux chocs thermiques et augmente la difficulté d'usinage.
Des recherches impliquant l'ajout de poudre de nano-ZrO2, combinée à des auxiliaires de frittage Y2O3, ont été menées pour fabriquer des céramiques AlN par frittage à chaud. Les résultats indiquent que les phases de la céramique AlN pressée à chaud comprennent la phase primaire AlN, la phase limite de grain Al5Y3O12 et la nouvelle phase ZrN. Avec l'ajout de ZrO2, la dureté Vickers de la céramique AlN pressée à chaud reste largement inchangée, tandis que sa ténacité s'améliore progressivement.
VI. L'impact du dopage à la zircone sur la structure et les propriétés diélectriques des céramiques BaTiO3
Les céramiques électroniques, en tant que type de céramique fonctionnelle électromagnétique, ont suscité une attention considérable ces dernières années. Parmi eux, les céramiques de titanate de baryum sont largement utilisées dans divers capteurs et condensateurs puces en raison de leur constante diélectrique élevée et de leurs excellentes propriétés ferroélectriques. Cependant, la température de Curie du titanate de baryum pur est de 120°C, ce qui limite son applicabilité à température ambiante. Pour améliorer les propriétés diélectriques des matériaux céramiques à base de titanate de baryum, les chercheurs ont exploré le dopage de divers oxydes, ce qui a permis de comprendre partiellement la relation entre les oxydes dopants et les propriétés des matériaux.
En utilisant BaCO3, TiO2 et ZrO2 comme matières premières, les chercheurs ont préparé des céramiques de titanate de zirconate de baryum (BZT) avec différentes teneurs en Zr par frittage en phase solide. Il a été observé qu'avec l'augmentation du dopage au ZrO2, la croissance des grains des céramiques BZT devient plus régulière, avec des particules étroitement disposées, des contours clairs et une densité de surface élevée. Avec un niveau de dopage Zr4+ de 20 % dans des environnements à température ambiante, les céramiques BZT présentent la constante diélectrique la plus élevée et la perte diélectrique la plus faible.
Conclusion
Outre les céramiques mentionnées ci-dessus, de nombreux chercheurs ont également étudié l'influence de la zircone dans d'autres systèmes céramiques. Par exemple, des études ont révélé que le ZrO2 existe principalement comme une deuxième phase dans les joints de grains, inhibant la croissance des grains sans réagir avec les grains de ZnO. De plus, il a été constaté que ZrO2 favorise efficacement le frittage des céramiques diélectriques micro-ondes BaCo0,194Zn0,116Nb0,69O3 à basse température.
