La circona , caracterizada por sus altos puntos de fusión y ebullición, así como por su dureza, es un aislante a temperatura ambiente pero exhibe una excelente conductividad eléctrica a altas temperaturas. En consecuencia, tiene un inmenso potencial para aplicaciones en diversos campos como la mecánica, la electrónica , la óptica, la biología y la catálisis, sirviendo como materiales cerámicos tanto estructurales como funcionales. Además, el circonio desempeña un "papel de apoyo" fundamental en la producción de cerámicas avanzadas, donde la adición de una pequeña cantidad de circonio puede mejorar significativamente el rendimiento de otros materiales cerámicos.
I. Cerámica compuesta de alúmina endurecida con circonita
La propiedad de transformación de fase martensítica del ZrO2 mejora la tenacidad a la fractura y la resistencia a la flexión de los materiales cerámicos, otorgándoles excelentes propiedades mecánicas. Además, la baja conductividad térmica del circonio y su excelente resistencia al choque térmico pueden aliviar el problema de la fragilidad de los materiales cerámicos. En resumen, el endurecimiento utiliza principalmente la transformación de fase martensítica del ZrO2, que absorbe la energía generada durante la transición de la estructura tetragonal a la estructura monoclínica, inhibiendo la propagación y extensión de las grietas.
Basado en este mecanismo, la introducción de circonio en cerámica de Al2O3 da como resultado cerámicas de alúmina endurecida con circonio (ZTA) . ZrO2 exhibe efectos de endurecimiento por transformación de fase y endurecimiento por microfisuras en cerámicas de Al2O3 , fortaleciendo y endureciendo el material. Como resultado, la cerámica ZTA se considera uno de los materiales más prometedores en cerámica estructural.
II. El impacto de la circona en la resistencia al choque térmico de las cerámicas de magnesia
La cerámica de magnesia posee una excelente resistencia a altas temperaturas, aislamiento eléctrico y una fuerte resistencia a las escorias de metales alcalinos. Es químicamente inerte a metales como magnesio, níquel, uranio, torio, zinc, aluminio, hierro, cobre y platino, lo que lo hace adecuado para aplicaciones como crisoles para fundición de metales, moldes para fundición de metales y tubos protectores para termopares de alta temperatura. y materiales de revestimiento para hornos de alta temperatura. Sin embargo, en condiciones de cambios rápidos de temperatura (choque térmico), la resistencia de las cerámicas de magnesia disminuye significativamente, lo que provoca desconchados o incluso fragilidad, lo que reduce su seguridad y confiabilidad en el servicio. Por lo tanto, mejorar la resistencia al choque térmico de las cerámicas de magnesia y extender su vida útil a altas temperaturas tiene una gran importancia práctica.
La investigación ha revelado que agregar circonio nanomonoclínico puede mejorar la uniformidad microestructural de las cerámicas de magnesia, reducir las temperaturas de sinterización y promover la densificación de la muestra. Las muestras con adiciones de circonio nanomonoclínico exhiben una resistencia mejorada al choque térmico mediante endurecimiento por microfisuras, endurecimiento por transformación de fase y endurecimiento por deflexión de microfisuras.
III. El impacto de la circona en los aglutinantes cerámicos para abrasivos superduros
Los aglutinantes cerámicos de baja temperatura son un componente crucial en la preparación de abrasivos superduros aglomerados cerámicos de alto rendimiento (diamante, nitruro de boro cúbico) y sus propiedades influyen directamente en el rendimiento general de estos abrasivos. Los requisitos básicos de rendimiento para aglutinantes cerámicos en abrasivos superduros incluyen alta resistencia, bajas temperaturas de ablandamiento y fusión, pequeños coeficientes de expansión térmica y buenas propiedades humectantes a altas temperaturas. Además, debido a la alta dureza y resistencia al desgaste de las partículas abrasivas superduras, la mayoría de los aglutinantes cerámicos para abrasivos superduros se utilizan a velocidades de rotación relativamente altas. Por lo tanto, para garantizar que las partículas abrasivas puedan ejercer plenamente su rendimiento de molienda, los aglutinantes cerámicos para abrasivos superduros deben poseer una alta resistencia.
Utilizando el sistema B2O3-Al2O3-SiO2 como aglutinante cerámico base y añadiendo cantidades variables de nano-ZrO2 como aditivo, los investigadores han estudiado el efecto de su contenido en la estructura y propiedades de los aglutinantes cerámicos. Los resultados indican que con el aumento del contenido de nano-ZrO2, el rendimiento general alcanza su máximo cuando el contenido es del 8%, exhibiendo una resistencia a la flexión de 63,41 MPa y una dureza Rockwell de 129,8 HRC. El aglutinante cerámico también presenta una distribución uniforme de los poros y una buena microestructura.
En otro estudio, los investigadores prepararon aglutinantes cerámicos incorporando ZrO2 en un vidrio a base de Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 e investigaron el efecto del contenido de ZrO2 en el rendimiento de los abrasivos de nitruro de boro cúbico. Los resultados mostraron que a medida que aumenta el contenido de ZrO2, la fluidez a alta temperatura disminuye y el ZrO2 promueve la cristalización en la fase vítrea. Cuando el contenido de ZrO2 es del 1%, la dureza de la tira de prueba abrasiva alcanza HRB110,6 y la resistencia a la flexión aumenta en un 27,9% a 68,23 MPa. Además, la resistencia al desgaste mejora significativamente, con un aumento del ratio de desgaste del 119%.
IV. El impacto de la circonita en las cerámicas a base de corindón
Los cuerpos regenerativos cerámicos a base de corindón poseen varias ventajas, incluida una excelente estabilidad química, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la erosión y resistencia superior. Sin embargo, son propensos a la fragilidad y a una mala resistencia al choque térmico. Actualmente, existe una gran cantidad de literatura que explora la mejora de la resistencia al choque térmico y el endurecimiento de cerámicas a base de corindón a través de nano-ZrO2.
A través de la investigación sobre las propiedades de los cuerpos regenerativos cerámicos a base de corindón endurecido con nanozirconia, se ha descubierto que el nano-ZrO2, como partícula de segunda fase, se dispersa dentro de la matriz cerámica, mejorando su fuerza y resistencia al choque térmico. El efecto endurecedor del nano-ZrO2 está estrechamente relacionado con su fase cristalina. Cuando todo el ZrO2 introducido está en la fase cúbica, no se produce endurecimiento por transformación de fase, lo que da como resultado sólo un endurecimiento menor por microfisuras. Por el contrario, la presencia de una cantidad adecuada de fases de ZrO2 tetragonal y monoclínica conduce a un efecto sinérgico de endurecimiento por transformación de fase y endurecimiento por microfisuras, mejorando significativamente la tenacidad del cuerpo regenerativo cerámico a base de corindón.
V. El impacto de la circona en la microestructura y las propiedades mecánicas de las cerámicas AlN prensadas en caliente
Las cerámicas AlN , reconocidas por su alta conductividad térmica, excelentes propiedades eléctricas y bajo coeficiente de expansión térmica, son materiales ideales para sustratos de embalaje de circuitos. Sin embargo, en comparación con materiales cerámicos como Si3N4 y SiC , las cerámicas de AlN exhiben una menor tenacidad a la fractura, lo que compromete su resistencia al choque térmico y aumenta la dificultad de mecanizado.
Se han realizado investigaciones que implican la adición de polvo de nano-ZrO2, combinado con ayudas de sinterización de Y2O3, para fabricar cerámicas de AlN mediante sinterización por prensado en caliente. Los resultados indican que las fases de la cerámica de AlN prensada en caliente incluyen la fase primaria de AlN, la fase de límite de grano Al5Y3O12 y la nueva fase de ZrN. Con la adición de ZrO2, la dureza Vickers de la cerámica AlN prensada en caliente permanece prácticamente sin cambios, mientras que su tenacidad a la fractura mejora gradualmente.
VI. El impacto del dopaje con circonita en la estructura y las propiedades dieléctricas de la cerámica BaTiO3
La cerámica electrónica, como tipo de cerámica funcional electromagnética, ha atraído una gran atención en los últimos años. Entre ellos, las cerámicas de titanato de bario se utilizan ampliamente en diversos sensores y condensadores de chip debido a su alta constante dieléctrica y excelentes propiedades ferroeléctricas. Sin embargo, la temperatura Curie del titanato de bario puro es de 120 °C, lo que limita su aplicabilidad a temperatura ambiente. Para mejorar las propiedades dieléctricas de los materiales cerámicos a base de titanato de bario, los investigadores han explorado el dopado de varios óxidos, lo que ha dado como resultado una comprensión parcial de la relación entre los óxidos dopantes y las propiedades del material.
Utilizando BaCO3, TiO2 y ZrO2 como materias primas, los investigadores han preparado cerámicas de titanato de circonato de bario (BZT) con diferentes contenidos de Zr mediante sinterización en fase sólida. Se ha observado que al aumentar el dopaje con ZrO2, el crecimiento del grano de las cerámicas BZT se vuelve más regular, con partículas estrechamente dispuestas, contornos claros y una alta densidad superficial. Con un nivel de dopaje Zr4+ del 20 % en ambientes a temperatura ambiente, las cerámicas BZT exhiben la constante dieléctrica más alta y la pérdida dieléctrica más baja.
Conclusión
Además de las cerámicas mencionadas anteriormente, numerosos investigadores también han investigado la influencia del circonio en otros sistemas cerámicos. Por ejemplo, los estudios han revelado que el ZrO2 existe principalmente como una segunda fase en los límites de los granos, inhibiendo el crecimiento del grano sin reaccionar con los granos de ZnO. Además, se ha descubierto que ZrO2 promueve eficazmente la sinterización de cerámicas dieléctricas de microondas BaCo0,194Zn0,116Nb0,69O3 a bajas temperaturas.
