¿Qué es el óxido de circonio?
El óxido de circonio (ZRO2), también conocido como circonia, es uno de los materiales cerámicos avanzados más ampliamente estudiados y utilizados. En comparación con otros materiales cerámicos técnicos, la característica más destacada del óxido de circonio es su resistencia de fractura extremadamente alta, lo que hace que tenga una resistencia de súper desgaste e impacto, por lo que también se llama "acero cerámico".
La baja conductividad térmica es otra propiedad inigualable de la cerámica de Zirconia, atribuida a su gran cantidad de poros microscópicos y estructura cristalina. Esta estructura cristalina cerámica particular le da a la circonia un excelente efecto de aislamiento térmico.
La estructura del óxido de circonio (ZRO2)
La cerámica de óxido de circonio tiene tres fases diferentes debido a los cambios de temperatura, que son:
※ De la temperatura ambiente a 1170 ℃, es fase monoclínica (M-ZRO2);
※ Entre 1170 ℃ y 2370 ℃, se transforma en fase tetragonal (T-ZRO2);
※ Cuando la temperatura excede 2370 ℃, se transforma en una fase cúbica (C-ZRO2).
Las tres fases de la Zirconia cerámica se pueden transformar entre sí a diferentes temperaturas. Las mismas partes cerámicas de circonio con diferentes fases tienen varios tamaños, volúmenes y propiedades mecánicas y químicas.
Otras ventajas de Zirconia (ZRO2)
※ Alta resistencia: la resistencia a la compresión puede alcanzar más de 1000MPa, por encima de 5 veces mayor que la del acero.
※ Resistencia de alta temperatura: la temperatura de servicio de la circonia puede ser de hasta 1000 ℃
※ Alta densidad: es un material cerámico muy denso, la densidad es de hasta 6.1 g/cm3
※ Alta dureza: la dureza cerámica de óxido de circonio de MOHS es de hasta 8.5, similar al zafiro
※ Resistencia a la corrosión: ZRO2 no reacciona con la mayoría de los ácidos, álcalis, sales y otros productos químicos
※ Propagación de grietas resistentes: es la verdadera causa de por qué la cerámica Zirconia ZRO2 tiene una excelente resistencia a la fractura.
※ Auto-lubricidad: la cerámica de óxido de circonio tiene un coeficiente de fricción mucho más bajo; es solo ½ de cerámica de alúmina
※ Superficie más fina: la densidad mucho más alta y la alta compacidad del óxido de circonio hacen que la textura del cuerpo de cerámica sea fina
※ Resistente al metal fundido: la cerámica ZRO2 no es fácilmente humedecida por metal líquido, por lo que es altamente resistente a la corrosión en el metal fundido.
※ Aislamiento eléctrico: la cerámica ZRO2 tiene una alta resistividad a temperatura ambiente y puede usarse como aislante de cerámica, pero cuando la temperatura de funcionamiento excede 650 ℃, se convertirá en un conductor eléctrico.
Tipos de materiales de circonio
Los dopados con diferentes estabilizadores tienen un impacto significativo en los materiales de circonio. Según las principales categorías de estabilizadores, la cerámica de Zirconia se puede dividir en tres tipos:
1. Zirconia estabilizada de Yttria: (YSZ)
Material de óxido de circonio (ZRO2) preparado agregando 3 mol de dióxido de ytrio llamado ittria de circonía parcialmente estabilizada. YSZ Zirconia presenta una estructura de cristal tetragonal estable a temperatura ambiente y tiene alta resistencia, resistencia a la corrosión, resistencia a alta temperatura, buena biocompatibilidad, resistencia al desgaste y buena conductividad iónica. Con el aumento del contenido de Y2O3, la cerámica de circonio estabilizada se puede transformar de la fase tetragonal (parcialmente estabilizada) a la fase cúbica, es decir, circonio completamente estabilizado (FSZ)
2. Zirconia estabilizada por magnesio (MSZ)
Agregar una cantidad apropiada de óxido de magnesio al óxido de circonio puede ajustar su rendimiento. La circonia estabilizada por magnesio tiene buena resistencia mecánica, estabilidad térmica y estabilidad química.
3. Zirconia estabilizada con cerio (CSZ)
Esta cerámica endurecida se realiza mediante el uso de óxido de cerio como estabilizador, uniformemente dopado en circonio con un contenido molecular de 8% a 16%.
| Propiedad | Unidad | 3y-tzp | MSZ | CE-TZP |
| Resistencia dieléctrica | AC - KV/mm | 11.7 | 9.4 | 9.8 |
| Constante dieléctrica @ 1MHz | (MI) | 29 | 28 | 29.2 |
| Pérdida dieléctrica a 1 mHz | --- | 0.001 | 0.0018 | - |
| Resistividad de volumen, 25 ℃ | ohm. centímetro | 1*10 13 | 1*10 13 | 1*10 13 |
| Resistividad de volumen, 500 ℃ | 1*10 7 | 1*10 7 | 1*10 7 | |
| Resistividad de volumen, 1000 ℃ | ＜ 1*10 3 | ＜ 1*10 3 | ＜ 1*10 3 |
Aplicaciones de la cerámica de Zirconia
1. Aplicaciones típicas de Ysz Zirconia
YSZ Zirconia es la más utilizada de todas las categorías de circonio. Sus aplicaciones incluyen:
※ Piezas de desgaste de cerámica
※ Válvulas de bola de circonio y asientos
※ Sellos de bomba y cojinetes de eje
※ Célula de combustible de óxido sólido (SOFC)
※ Boquillas de cerámica de precisión ZRO2
※ Herramientas de corte de cerámica y cuchillas
※ Sensor de oxígeno, sensor de óxido de nitrógeno
※ Rolleros y guías de cerámica para la formación de alambre
※ Guías de hilo de cerámica e hilo para maquinaria textil
※ Cerámica funcional y componentes de cerámica estructural
2. Aplicaciones típicas de Zirconia MSZ
※ Aplicaciones de ingeniería: sellos mecánicos, troqueles de estampado y extrusión y piezas de desgaste
※ Dispositivo de comunicación óptica: mangas de cerámica, capilar de cerámica, soportes de cerámica
※ Ciencia biomédica: materiales de reparación de tejidos óseos, biosensores, fijador interno de fractura y portadores de medicamentos
※ Refactorios: piezas de horno de alta temperatura, piezas de cerámica para motores aeroespaciales y materiales estructurales para naves espaciales
3. Aplicaciones típicas de CSZ Zirconia
※ Medio de molienda: adecuado para moler todo tipo de materiales de alta viscosidad
※ Piezas de cerámica estructural: se utiliza principalmente en ocasiones de alta dureza, alta temperatura de resistencia
※ Sistemas catalíticos automotrices: circonio estabilizado de Ceria como portador de catalizador puede mejorar la eficiencia catalítica y reducir la emisión de contaminantes
Pensamientos finales
Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y térmicas, inercia química y estabilidad de alta temperatura, el uso de la cerámica de circonio se profundizará y ampliará aún más con la innovación de la ciencia y la tecnología y la mejora continua de los procesos de producción, avanzando hacia un mayor rendimiento, más Funciones diversificadas y bajo costo del material cerámico avanzado.