Gốm Zirconia nổi tiếng với độ bền vượt trội, đây là đặc tính nổi bật của nó so với các loại gốm sứ cao cấp khác. Trên thực tế, nó thường được gọi là "thép gốm" vì nó kết hợp độ cứng của gốm với độ dẻo dai sánh ngang với một số kim loại.
Để hiểu sức mạnh của nó, chúng ta cần chia nó thành hai tính chất cơ học chính:
1. Độ bền uốn (hoặc độ bền uốn): Khả năng chống gãy khi uốn.
2. Độ dẻo dai của vết nứt: Khả năng chống lan truyền vết nứt.
1. Độ bền uốn: Khả năng chống đứt ấn tượng
Zirconia có một trong những độ bền uốn cao nhất trong tất cả các loại gốm sứ.
# Phạm vi điển hình: 900 - 1.200 Megapascal (MPa)
# Để so sánh:
* Alumina (Nhôm Oxit): 300 - 550 MPa
* Cacbua silic: 350 - 550 MPa
* Thủy tinh soda-vôi: ~50 MPa
* Thép nhẹ: ~400-500 MPa
Điều này có ý nghĩa gì trong thực tế: Thành phần zirconia có thể chịu được lực uốn hoặc lực kéo rất lớn trước khi nó bị gãy. Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho các bộ phận kết cấu như vòng bi, dụng cụ cắt và bộ phận cấy ghép chịu tải không đổi.
2. Độ dẻo dai khi gãy xương: “Người thay đổi cuộc chơi”
Đây là nơi zirconia thực sự tỏa sáng. Hầu hết đồ gốm đều bền nhưng dễ gãy - hãy nghĩ đến một chiếc đĩa sứ; nó mạnh mẽ cho đến khi hình thành một vết nứt nhỏ, rồi vỡ tan tành. Zirconia khác biệt nhờ một cơ chế đặc biệt gọi là Transformation Toughening.
Cách thức hoạt động của quá trình tăng cường chuyển đổi:
1. Pha ổn định: Ở nhiệt độ phòng, zirconia được ổn định ở pha tinh thể tứ giác.
2. Vết nứt gặp pha lê: Khi vết nứt lan truyền tiếp cận hạt zirconia, trường ứng suất ở đầu vết nứt sẽ phá vỡ trạng thái ổn định.
3. Biến đổi: Hạt zirconia bị căng thẳng ngay lập tức chuyển sang pha tinh thể đơn tà ổn định hơn.
4. Mở rộng khối lượng: Sự chuyển đổi pha này đi kèm với việc mở rộng khối lượng 3-4%.
5. Che chắn vết nứt: Việc mở rộng này "ép" vết nứt từ các phía, đóng nó lại một cách hiệu quả và ngăn không cho nó lan rộng thêm.
Cơ chế giống như khả năng tự phục hồi này mang lại cho zirconia độ dẻo dai khi gãy mà các loại gốm oxit không thể so sánh được.
# Phạm vi điển hình: 5 - 10 MPa√m
# Để so sánh:
* Alumina (Nhôm Oxit): 3 - 5 MPa√m
* Cacbua silic: 3 - 4 MPa√m
* Ly soda-vôi: ~0,7 MPa√m
* Một số loại thép: ~50-100 MPa√m (Lưu ý: Kim loại vốn đã cứng hơn nhiều)
Điều này có ý nghĩa gì trong thực tế: Zirconia có khả năng chịu hư hại cao. Nó ít có khả năng bị hỏng do các vết xước nhỏ, va đập hoặc sai sót bên trong so với các loại gốm sứ khác. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng như bóng khớp hông, nơi mà sứt mẻ hoặc hỏng hóc nghiêm trọng không phải là một lựa chọn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sức mạnh của Zirconia
Các giá trị cường độ ở trên dành cho loại phổ biến nhất, Đa tinh thể Zirconia tứ giác ổn định Yttria (Y-TZP). Sức mạnh có thể thay đổi dựa trên:
* Oxit ổn định: Yttria (Y₂O₃) là phổ biến nhất, nhưng ceria (CeO₂) có thể được sử dụng để tạo ra các loại thậm chí còn cứng hơn.
* Chế biến: Mật độ, kích thước hạt và độ tinh khiết đạt được trong quá trình sản xuất là rất quan trọng. Bất kỳ độ xốp nào cũng làm suy yếu sản phẩm cuối cùng.
* Suy thoái ở nhiệt độ thấp (LTD): Một điểm yếu tiềm tàng. Khi có nước hoặc hơi nước ở nhiệt độ từ 100-300°C, bề mặt của Y-TZP có thể tự động biến đổi từ pha tứ giác sang pha đơn nghiêng, dẫn đến các vết nứt vi mô và mất dần độ bền theo thời gian. Các công thức zirconia hiện đại được tối ưu hóa mạnh mẽ để chống lại hiệu ứng này.
Các ứng dụng chính tận dụng sức mạnh của nó
* Cấy ghép y tế: Bóng khớp hông, thay khớp gối và mão răng/cấy ghép răng (trong đó màu sắc giống răng cũng là một lợi thế lớn).
* Dụng cụ công nghiệp: Lưỡi cắt, khuôn kéo dây và các bộ phận chịu mài mòn (ví dụ: phốt bơm, ống lót).
* Hàng tiêu dùng: Vỏ đồng hồ, lưỡi dao và thậm chí cả linh kiện trong điện thoại thông minh.
* Ô tô: Cảm biến (đặc biệt là cảm biến oxy) hoạt động trong môi trường khí thải nóng.
Tóm lại, gốm zirconia đặc biệt bền, nhưng đặc điểm nổi bật của nó là độ bền gãy cao. Sự kết hợp độc đáo giữa độ cứng, độ bền và khả năng chống hư hại này khiến nó trở thành vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe trong đó các loại gốm sứ khác quá giòn.
Bạn có thể thích: Gốm Alumina,Gốm Silicon Nitride
