La zircone est un matériau inorganique non métallique offrant des performances supérieures et une résistance acide-alcali. Il possède des propriétés chimiques stables, un point de fusion élevé, une faible conductivité thermique, une dureté, une résistance élevée et une résistance à l'usure. En raison de ses propriétés remarquables, la zircone et ses produits sont devenus l'une des principales matières premières pour les céramiques structurelles, les céramiques fonctionnelles, les biocéramiques et les revêtements à barrière thermique, présentant de larges perspectives d'application dans des domaines de haute technologie tels que l'armée , l'énergie, la métallurgie et l'électronique. , communications , automobile et machines.
L'application de la zircone comme additif pour améliorer les performances d'autres matériaux céramiques
I. Impact sur les céramiques de zircone
La nanozircone exerce une influence positive sur les performances des produits ordinaires en zircone.
En ajoutant différentes teneurs de stabilisant CaO à la matière première de zircone monoclinique électrofondue, la quantité optimale de stabilisant CaO a été déterminée en analysant la composition de la phase minérale, la porosité apparente et la résistance à la compression des échantillons après cuisson. Sur la base de l'ajout optimal de stabilisant CaO, de la poudre de nano-zircone a été incorporée pour étudier son effet sur les performances des produits en zircone. Les résultats ont montré qu'avec l'ajout croissant de poudre de nano-zircone à l'échantillon optimal (3Ca-PSZ), la porosité apparente diminuait, le taux de retrait de frittage augmentait et la résistance à la compression s'améliorait. Plus précisément, lorsque le taux d'ajout de poudre de nano-zircone atteignait 8 % en poids, l'échantillon présentait une porosité de 9,4 %, une densité apparente de 5,08 g/cm3 et une résistance à la compression de 381 MPa. Par rapport à l'échantillon 3Ca-PSZ, la porosité a diminué de 40 %, la densité apparente a augmenté de 5 % et la résistance à la compression s'est améliorée de 70 %.
II. Impact sur les céramiques d'alumine
Les céramiques Al2O3 sont largement utilisées dans les industries mécaniques, électroniques et chimiques en raison de leurs excellentes propriétés telles que haute résistance, dureté, résistance à l'usure, résistance à l'oxydation et résistance aux chocs thermiques. Bien que les céramiques Al2O3 pures présentent de bonnes performances à haute température, elles souffrent d'une ténacité insuffisante et d'une mauvaise résistance aux chocs, ce qui entraîne souvent des écailles mineures lors de la coupe. En ajoutant de la zircone à la matrice Al2O3, les céramiques d'alumine renforcée à la zircone (ZTA) peuvent améliorer considérablement ces problèmes.
Dans les céramiques ZTA , les particules de ZrO2 sont uniformément dispersées dans la matrice Al2O3. À mesure que la température change, les particules de ZrO2 subissent des transitions de phase, appartenant à la transition de phase martensitique, entraînant une expansion volumétrique et une déformation de cisaillement, conduisant à la formation de contraintes de traction et de microfissures. Certaines particules de ZrO2 de petite taille génèrent des microfissures sous contrainte de traction. Ces fissures sont confinées dans des grains de petite taille, et leur initiation et leur propagation consomment de l'énergie du champ de contraintes externe, améliorant ainsi la ténacité et la résistance des céramiques Al2O3. Les céramiques ZTA représentent donc un matériau céramique prometteur.
III. Impact sur les céramiques de nitrure de silicium
Les céramiques de nitrure de silicium sont considérées comme le matériau céramique structurel le plus complet en raison de leurs excellentes propriétés telles que la résistance élevée, la dureté, la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la résistance au fluage. Cependant, leur fragilité inhérente entrave leur application généralisée sur le marché. De nombreux chercheurs ont étudié les céramiques Si3N4 renforcées au ZrO2 et ont réalisé des progrès significatifs.
Les matériaux céramiques composites ZrO2-Si3N4 ont été préparés par frittage sans pression et caractérisés à l'aide de la méthode de déplacement, du SEM et de la machine d'essai de traction universelle DDL110. L'influence de la teneur en ZrO2 sur la densité, la microstructure et les propriétés mécaniques des céramiques Si3N4 a été étudiée. Les résultats ont indiqué qu'à mesure que la teneur en ZrO2 augmentait, la densité des céramiques Si3N4 augmentait ; la résistance à la flexion et la ténacité à la rupture ont d'abord augmenté puis diminué. Lorsque la teneur en ZrO2 atteint 10 %, la résistance à la flexion et la ténacité à la rupture du Si3N4 atteignent simultanément leurs valeurs maximales, soit 362 MPa et 7,0 MPa·m1/2, respectivement.
IV. Impact sur les céramiques de nitrure d'aluminium (AlN)
Les céramiques AlN , réputées pour leur conductivité thermique élevée, leurs excellentes propriétés électriques et leur faible coefficient de dilatation thermique, sont souvent considérées comme le matériau idéal pour les substrats de conditionnement de circuits. Cependant, par rapport aux matériaux céramiques tels que Si3N4 etSiC, les céramiques AlN présentent une ténacité inférieure, ce qui compromet leur résistance aux chocs thermiques et augmente la difficulté d'usinage.
En incorporant de la poudre de nano-ZrO2 et en utilisant Y2O3 comme aide au frittage, les céramiques AlN ont été fabriquées par frittage à chaud. Les résultats ont révélé que la composition des phases des céramiques AlN pressées à chaud après ajout de ZrO2 comprend la phase primaire AlN, la phase limite des grains Al5Y3O12 et une nouvelle phase ZrN. Avec l'ajout de ZrO2, la dureté Vickers de la céramique AlN pressée à chaud est restée largement inchangée, tandis que sa ténacité s'est progressivement améliorée. Cette amélioration est principalement attribuée à la réaction à haute température entre le ZrO2 et l'AlN ajoutés, entraînant la formation de ZrN. Cette transformation conduit au passage d'un mode de fracture intergranulaire unique dans les céramiques AlN à un mode de fracture mixte englobant à la fois les fractures intergranulaires et transgranulaires, renforçant les joints de grains et améliorant par la suite la ténacité.
Conclusion
En conclusion, l’ajout de zircone améliore considérablement les performances de différents types de céramiques. Qu'il s'agisse de céramiques de zircone elles-mêmes, de céramiques d'alumine, de céramiques de nitrure de silicium ou de céramiques de nitrure d'aluminium, l'incorporation d'une quantité appropriée de zircone améliore efficacement les propriétés clés telles que la ténacité, la résistance, la résistance aux chocs, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion. Cette transformation améliore non seulement le côté pratique des matériaux céramiques, mais élargit également leur champ d'application dans des domaines de haute technologie tels que l'armée, l'énergie, la métallurgie, l'électronique, les télécommunications, l'automobile et les machines. Par conséquent, la zircone, en tant qu’additif céramique essentiel, joue un rôle important dans l’amélioration des performances globales des matériaux céramiques.
