Ceramika cyrkonowa: Super wytrzymały materiał ukrywający się na widoku

Czy kiedykolwiek ugryzłeś coś twardego i martwiłeś się o wyszczerbienie zęba? Albo zastanawiałeś się, dlaczego niektóre noże pozostają ostre znacznie dłużej niż inne? W tym miejscu pojawia się ceramika cyrkonowa - niedoceniana potęga, która jest twarda, błyszcząca i pojawia się w wielu nieoczekiwanych miejscach. Wykonana jest z dwutlenku cyrkonu, co jest fantazyjnym sposobem na powiedzenie, że pochodzi z pierwiastka cyrkonu, który pochodzi z minerałów takich jak cyrkon. Po raz pierwszy natknąłem się na nią podczas zakupów nowego zegarka; bezel był wykonany z cyrkonii, odporny na zarysowania i lśniący jak nowy nawet po latach noszenia. To sprawiło, że chciałem dowiedzieć się więcej o tym, jak ten materiał łączy twardość diamentu z praktycznością.

To, co wyróżnia cyrkonie, to zabójcze połączenie wytrzymałości i odporności. W skali twardości Mohsa osiąga ona wartość około 8,5, co oznacza, że dorównuje szafirom i jest w stanie wytrzymać duże obciążenia bez ryzyka pęknięcia. Sekretem jest "hartowanie transformacyjne" - gdy pojawia się naprężenie, struktura krystaliczna nieco się zmienia, pochłaniając energię i zatrzymując pęknięcia. To prawie tak, jakby materiał walczył. Ponadto prawie nie przewodzi ciepła, nie ulega korozji i nie reaguje z chemikaliami, dzięki czemu jest bardzo bezpieczny w kontakcie z ciałem. To powiedziawszy, surowy tlenek cyrkonu może być wybredny; zmienia fazy w wysokiej temperaturze, więc dodajemy do niego takie rzeczy jak tlenek itru lub magnezu, aby zablokować go w stabilnej formie. Bez tego rozszerzałby się i pękał pod wpływem wahań temperatury.

Historia też jest całkiem interesująca. Cyrkon został zauważony w 1700 roku w kamieniach szlachetnych, ale cyrkonia jako wytrzymała ceramika tak naprawdę pojawiła się dopiero w latach 70-tych. XX wieku. Australijski naukowiec, Ron Garvie, złamał kod, aby uczynić go trwałym, nazywając go "ceramiczną stalą" ze względu na jego metalową ziarnistość bez ciężaru. Obecnie wytwarza się ją poprzez prasowanie proszku tlenku cyrkonu w kształty i wypalanie go w szalonych wysokich temperaturach w procesie zwanym spiekaniem. Pozyskiwanie surowca nie jest łatwym zadaniem - większość pochodzi z Australii lub RPA i jest droga ze względu na konieczność rafinacji.

Tlenek cyrkonu znajdziesz wszędzie, jeśli tylko zaczniesz szukać. W stomatologii jest to przełom: korony i mosty, które naśladują prawdziwe zęby, są super mocne i nie powodują alergii na metal. Mój dentysta przeszedł na nie wiele lat temu, a pacjenci uwielbiają ich naturalny wygląd. Z medycznego punktu widzenia stosuje się je w protezach stawów, takich jak biodra i kolana - wytrzymują ponad 20 lat przy minimalnym zużyciu. Profesjonaliści kuchenni zachwycają się ostrzami z tlenku cyrkonu; utrzymują krawędź na zawsze i nie rdzewieją ani nie plamią. Jeśli chodzi o bling, cyrkonie przekonująco podrabiają diamenty, ale wersja high-end jest stosowana w luksusowych zegarkach i biżuterii, aby uzyskać niezrównany połysk. Z technicznego punktu widzenia, cyrkonia znajduje zastosowanie w samochodowych czujnikach tlenu, ogniwach paliwowych napędzających zieloną energię, a nawet izolatorach w gadżetach. Przemysł lotniczy wykorzystuje go do produkcji części, które wytrzymują wysokie temperatury bez deformacji.

Oczywiście, ma swoje dziwactwa. W wilgotnych miejscach może z czasem ulegać powolnej degradacji - coś, co nazywa się degradacją niskotemperaturową - więc ciągłe ulepszenia mają na celu zwiększenie odporności. Recykling jest coraz powszechniejszy, aby zmniejszyć negatywny wpływ na środowisko, a druk 3D otwiera drzwi dla niestandardowych elementów we wszystkim, od implantów medycznych po sprzęt kosmiczny.

Podsumowując, ceramika cyrkonowa jest tym cichym osiągnięciem - elegancka, ale niezniszczalna, ziemskie korzenie z zaawansowanymi technologicznie wibracjami. W naszym świecie wyrzucania śmieci, to odświeżające mieć coś zbudowanego, by przetrwać. Następnym razem, gdy zobaczysz nieskazitelny pierścionek lub trwały implant, istnieje duże prawdopodobieństwo, że cyrkonia jest nieznanym bohaterem, dzięki któremu to się stało.