Tsirkooniumoksiid-keraamika: Zirkoonium: Ülikindel materjal, mis peidab end silmapiiril

Kas olete kunagi hammustanud midagi kõva ja muretsetud, et hammas murdub? Või mõelnud, miks mõned noad jäävad teravaks palju kauem kui teised? Siinkohal tulebki mängu tsirkooniumoksiidkeraamika - see alahinnatud jõud, mis on sitke, läikiv ja ilmneb igasugu ootamatutes kohtades. See on valmistatud tsirkooniumdioksiidist, mis on moodne viis öelda, et see on saadud elemendist tsirkoonium, mis pärineb sellistest mineraalidest nagu tsirkoon. Esimest korda sattusin selle peale, kui ostsin uut kella; lukk oli tsirkooniumoksiidist, kriimustuskindel ja läikiv nagu uus isegi pärast aastatepikkust kandmist. See tekitas minus huvi õppida rohkem selle kohta, kuidas see materjal ühendab teemantide sarnase kõvaduse ja praktilise kasutatavuse.

Tsirkooniumoksiidi eristab selle tugevuse ja vastupidavuse suurepärane kombinatsioon. Mohsi kõvadusskaalal on see umbes 8,5, mis tähendab, et see on safiiridega võrdne ja kannatab peksmist ilma, et see kergesti murduks. Salajane kaste on "transformatsioonikaredus" - stressi korral muutub kristallstruktuur veidi, imab energiat ja peatab pragude tekkimise. See on peaaegu nagu materjal võitleks vastu. Lisaks sellele juhib see vaevu soojust, tõrjub korrosiooni ja ei reageeri kemikaalidega, mistõttu on see kehakontaktis üliohutu. See tähendab, et toores tsirkooniumoksiid võib olla keeruline; see vahetab kõrge kuumuse korral faase, nii et me toppime seda näiteks ütriumi või magneesiumoksiidiga, et lukustada see stabiilsesse vormi. Ilma selleta paisuks ja puruneks see temperatuurimuutuste mõjul.

Ka ajalugu on päris huvitav. Tsirkooniumi avastati juba 1700ndatel aastatel vääriskivides, kuid tsirkooniumoksiid kui vastupidav keraamiline materjal sai tõelise hoo sisse alles 70ndatel. Üks austraalia teadlane, Ron Garvie, lahendas selle vastupidavuse koodi ja nimetas seda "keraamiliseks teraseks", kuna see on metallilaadne, kuid mitte raske. Tänapäeval valmistatakse seda tsirkooniumoksiidipulbrit vormidesse pressides ja seda hullult kõrgel temperatuuril paagutades, mida nimetatakse paagutamiseks. Toormaterjali hankimine ei ole lihtne - enamasti tuleb see Austraaliast või Lõuna-Aafrikast ja on rafineerimise tõttu kallis.

Kui hakkate otsima, leiate igal pool tsirkooniumi. Hambaravis on see mängu muutja: kroonid ja sillad, mis jäljendavad tõelisi hambaid, on ülitugevad ja ei tekita metalliallergiat. Minu hambaarst läks neile aastaid tagasi üle ja patsientidele meeldib, et need tunduvad loomulikud. Meditsiiniliselt on see kasutusel liigeseproteesides, nagu puusad ja põlved - need kestavad 20+ aastat minimaalse kulumisega. Köögiprofid rabelevad tsirkooniumoksiidist terade üle; need hoiavad igavesti serva ja ei roosteta ega värvita. Bling, cubic zirkoonia võltsib veenvalt teemante, kuid kõrgekvaliteediline versioon on luksuskellades ja ehetes, et saada löömatut läiget. Tehnoloogiliselt on seda autode hapnikuandurites, rohelist energiat edendavates kütuseelementides ja isegi isolaatorites vidinates. Lennunduses kasutatakse seda osade jaoks, mis peavad vastu kuumusepurskeid ilma deformeerumata.

Muidugi, sellel on veidrusi. Niisketes kohtades võib see aja jooksul aeglaselt laguneda - seda nimetatakse madalatemperatuuriliseks lagunemiseks -, nii et pidevate paranduste eesmärk on suurendada vastupidavust. Ümbertöötlemine on tõusuteel, et vähendada keskkonnakahjusid, ja 3D-printimine avab uksed kohandatud detailide jaoks, mis on kasutusel meditsiinilistest implantaatidest kuni kosmoseseadmeteni.

Kokkuvõttes on tsirkooniumoksiidkeraamika see vaikne saavutaja - elegantne, kuid purunematu, maapealsete juurte ja kõrgtehnoloogiliste vibratsioonidega. Meie äraviskamismaailmas on värskendav, et on midagi, mis on ehitatud kestma. Järgmine kord, kui näete veatut sõrmust või vastupidavat implantaati, on tõenäoline, et tsirkooniumoksiid on see laulmatu kangelane, kes seda teeb.