Zirkoniová keramika je známá svou výjimečnou pevností, což je její vynikající vlastnost ve srovnání s jinou pokročilou keramikou. Ve skutečnosti se jí často říká „keramická ocel“, protože kombinuje tvrdost keramiky s houževnatostí, která konkuruje některým kovům.
Abychom pochopili její sílu, musíme ji rozdělit na dvě klíčové mechanické vlastnosti:
1. Pevnost v ohybu (nebo pevnost v ohybu): Odolnost proti zlomení při ohybu.
2. Lomová houževnatost: Odolnost proti šíření trhlin.
1. Pevnost v ohybu: Působivá odolnost proti zlomení
Zirkonie má jednu z nejvyšších pevností v ohybu ze všech keramik.
# Typický rozsah: 900 - 1 200 Megapascalů (MPa)
# Pro srovnání:
* Alumina (oxid hlinitý): 300 - 550 MPa
* Karbid křemíku: 350 - 550 MPa
* Sodnovápenaté sklo: ~50 MPa
* Měkká ocel: ~400-500 MPa
Co to znamená v praxi: Zirkoniová součástka odolá obrovskému namáhání v ohybu nebo tahu, než se zlomí. Díky tomu je ideální pro konstrukční součásti, jako jsou ložiska, řezné nástroje a implantáty, které jsou trvale zatěžovány.
2. Odolnost proti zlomenině: „Změna hry“
To je místo, kde zirkony skutečně září. Většina keramiky je pevná, ale křehká – představte si porcelánový talíř; je silná, dokud se nevytvoří malinká prasklina, pak se katastrofálně rozbije. Zirkony se liší díky speciálnímu mechanismu zvanému Transformation Toughening.
Jak funguje zpevnění transformace:
1. Stabilní fáze: Při pokojové teplotě je oxid zirkoničitý stabilizován v tetragonální krystalové fázi.
2. Trhlina se setkává s krystalem: Když se šířící se trhlina přiblíží k zrnu zirkonu, pole napětí na špičce trhliny naruší stabilní stav.
3. Transformace: Namáhané zrno oxidu zirkoničitého se okamžitě přemění na stabilnější monoklinickou krystalovou fázi.
4. Objemová expanze: Tato fázová transformace je doprovázena 3-4% objemovou expanzí.
5. Krytí trhlin: Tato expanze „vymáčkne“ trhlinu ze stran, čímž ji účinně uzavře a zabrání jejímu dalšímu šíření.
Tento samoopravný mechanismus dává oxidu zirkoničitému lomovou houževnatost, která nemá mezi oxidovou keramikou obdoby.
# Typický rozsah: 5 - 10 MPa√m
# Pro srovnání:
* Alumina (oxid hlinitý): 3 - 5 MPa√m
* Karbid křemíku: 3 - 4 MPa√m
* Sodnovápenaté sklo: ~0,7 MPa√m
* Některé oceli: ~50-100 MPa√m (Poznámka: Kovy jsou ze své podstaty mnohem tvrdší)
Co to znamená v praxi: Zirkony jsou vysoce odolné vůči poškození. Ve srovnání s jinou keramikou je mnohem méně pravděpodobné, že selže v důsledku malých škrábanců, nárazů nebo vnitřních vad. To je kritické pro aplikace, jako jsou koule kyčelního kloubu, kde není možné prasknutí nebo katastrofické selhání.
Faktory, které ovlivňují sílu zirkonie
Hodnoty pevnosti výše platí pro nejběžnější typ, tetragonální polykrystal zirkonu stabilizovaný yttriem (Y-TZP). Síla se může lišit v závislosti na:
* Stabilizační oxid: Yttria (Y₂O₃) je nejběžnější, ale cer (CeO₂) lze použít k vytvoření ještě tvrdších jakostí.
* Zpracování: Hustota, velikost zrna a čistota dosažené během výroby jsou rozhodující. Jakákoli pórovitost oslabuje konečný produkt.
* Low-Temperature Degradation (LTD): Potenciální slabina. V přítomnosti vody nebo páry při teplotách mezi 100-300°C se povrch Y-TZP může spontánně přeměnit z tetragonální na monoklinickou fázi, což vede k mikropraskání a postupné ztrátě pevnosti v průběhu času. Moderní formulace oxidu zirkoničitého jsou silně optimalizovány, aby tomuto efektu odolávaly.
Klíčové aplikace využívající jeho sílu
* Lékařské implantáty: Kuličky kyčelního kloubu, náhrady kolen a zubní korunky/implantáty (kde je jejich barva podobná zubům také hlavní výhodou).
* Průmyslové nástroje: Řezací čepele, matrice pro tažení drátu a díly odolné proti opotřebení (např. těsnění čerpadel, pouzdra).
* Spotřební zboží: Pouzdra na hodinky, čepele nožů a dokonce i součásti v chytrých telefonech.
* Automobilový průmysl: Senzory (zejména kyslíkové senzory), které fungují v horkém výfukovém prostředí.
Závěrem lze říci, že zirkoniová keramika je výjimečně pevná, ale její určující charakteristikou je její vysoká lomová houževnatost. Tato jedinečná kombinace tvrdosti, pevnosti a odolnosti proti poškození z něj činí materiál volby pro náročné aplikace, kde by jiná keramika byla příliš křehká.
Může se vám líbit: Alumina Ceramic, Silicon Nitride Ceramic
