קרמיקת זירקוניה ידועה בחוזקה יוצאת הדופן, שהיא תכונה הבולטת בהשוואה לקרמיקה מתקדמת אחרת. למעשה, זה נקרא לעתים קרובות "פלדה קרמית" מכיוון שהיא משלבת את הקשיות של קרמיקה עם קשיחות שמתחרה בכמה מתכות.
כדי להבין את עוצמתו, עלינו לחלק אותו לשתי תכונות מכניות מרכזיות:
1. חוזק כיפוף (או חוזק כיפוף): עמידות בפני שבירה תחת כיפוף.
2. קשיחות שבר: עמידות בפני התפשטות סדקים.
1. חוזק כיפוף: עמידות מרשימה בפני שבירה
ל-Zirconia אחד מחוזק הכיפוף הגבוה ביותר מכל הקרמיקה.
# טווח טיפוסי: 900 - 1,200 מגה-פסקל (MPa)
# לשם השוואה:
* אלומינה (תחמוצת אלומיניום): 300 - 550 MPa
* סיליקון קרביד: 350 - 550 MPa
* זכוכית סודה-ליים: ~50 MPa
* פלדה עדינה: ~400-500 MPa
מה זה אומר בפועל: רכיב זירקוניה יכול לעמוד בכמות עצומה של מתח כיפוף או מתיחה לפני שהוא נשבר. זה הופך אותו לאידיאלי עבור רכיבים מבניים כמו מיסבים, כלי חיתוך ושתלים שנמצאים בעומס קבוע.
2. קשיחות שבר: "מחליף המשחקים"
זה המקום שבו זירקוניה באמת זורח. רוב הקרמיקה חזקה אך שבירה - חשבו על צלחת חרסינה; הוא חזק עד שנוצר סדק זעיר, ואז הוא מתנפץ בצורה קטסטרופלית. זירקוניה שונה בגלל מנגנון מיוחד שנקרא Transformation Toughening.
כיצד עובד הקשחת טרנספורמציה:
1. שלב יציב: בטמפרטורת החדר, זירקוניה מיוצבת בשלב גבישי טטרגונלי.
2. סדק פוגש קריסטל: כאשר סדק מתפשט מתקרב לגרגר זירקוניה, שדה הלחץ בקצה הסדק משבש את המצב היציב.
3. טרנספורמציה: גרגר הזירקוניה המתח הופך באופן מיידי לשלב קריסטל מונוקליני יציב יותר.
4. הרחבת נפח: שינוי שלב זה מלווה בהרחבת נפח של 3-4%.
5. מיגון סדק: התרחבות זו "סוחטת" את הסדק מהצדדים, סוגרת אותו למעשה ועוצרת את התפשטותו הלאה.
מנגנון דמוי ריפוי עצמי זה נותן לזירקוניה קשיחות שבר שאין דומה לה בקרב קרמיקה תחמוצת.
# טווח טיפוסי: 5 - 10 MPa√m
# לשם השוואה:
* אלומינה (תחמוצת אלומיניום): 3 - 5 MPa√m
* סיליקון קרביד: 3 - 4 MPa√m
* זכוכית סודה-ליים: ~0.7 MPa√m
* פלדות מסוימות: ~50-100 MPa√m (הערה: מתכות הן מטבען קשיחות הרבה יותר)
מה זה אומר בפועל: זירקוניה עמיד מאוד בפני נזקים. זה הרבה פחות סיכוי להיכשל משריטות קטנות, פגיעות או פגמים פנימיים בהשוואה לקרמיקה אחרת. זה קריטי עבור יישומים כמו כדורי מפרק ירך, שבהם סתתים או כישלון קטסטרופלי אינם אופציה.
גורמים המשפיעים על החוזק של זירקוניה
ערכי החוזק לעיל הם עבור הסוג הנפוץ ביותר, Ytria-Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystal (Y-TZP). החוזק יכול להשתנות בהתאם ל:
* תחמוצת מייצבת: איטריה (Y₂O₃) היא הנפוצה ביותר, אך ניתן להשתמש ב-ceria (CeO₂) ליצירת ציונים קשים עוד יותר.
* עיבוד: הצפיפות, גודל הגרגרים והטוהר שהושגו במהלך הייצור הם קריטיים. כל נקבוביות מחלישה את המוצר הסופי.
* השפלה בטמפרטורה נמוכה (LTD): חולשה פוטנציאלית. בנוכחות מים או אדים בטמפרטורות שבין 100-300 מעלות צלזיוס, פני השטח של Y-TZP יכולים להפוך באופן ספונטני מהשלב הטטרגונלי לשלב המונוקליני, מה שמוביל למיקרו-פיצוח ולאובדן הדרגתי של כוח לאורך זמן. תכשירי זירקוניה מודרניים מותאמים מאוד כדי להתנגד להשפעה זו.
יישומי מפתח הממנפים את החוזק שלו
* שתלים רפואיים: כדורי מפרק ירך, החלפות ברכיים וכתרים/שתלים דנטליים (כאשר צבעו דמוי השן הוא גם יתרון מרכזי).
* כלים תעשייתיים: להבי חיתוך, מתבניות ציור תיל וחלקים עמידים בפני שחיקה (למשל, אטמי משאבות, תותבים).
* מוצרי צריכה: נרתיקים לשעונים, להבי סכינים ואפילו רכיבים בסמארטפונים.
* רכב: חיישנים (במיוחד חיישני חמצן) הפועלים בסביבות פליטה חמות.
לסיכום, קרמיקה זירקוניה היא חזקה במיוחד, אך המאפיין שלה הוא קשיחות השבר הגבוהה שלה. השילוב הייחודי הזה של קשיות, חוזק ועמידות בפני נזק הופך אותו לחומר המועדף עבור יישומים תובעניים שבהם קרמיקה אחרת תהיה שבירה מדי.
אתה עשוי לאהוב: אלומינה קרמיקה, קרמיקה סיליקון ניטריד
