Technische Eigenschaften von Zirkoniumdioxid
Einführung
Zirkoniumdioxid (ZrO2), allgemein als Zirkoniumdioxid bekannt, ist ein weißes kristallines Oxid mit vielfältigen Anwendungen, die von der Edelsteinsynthese bis zur Verwendung als Diamantsimulanz reichen. In dieser Untersuchung befassen wir uns mit den technischen Eigenschaften von Zirkoniumdioxid und decken seine Kristallstrukturen, Phasen und die entscheidende Rolle stabilisierender Dotierstoffe auf.
Kristallstrukturen und Phasenübergänge
Zirkoniumdioxid weist in seiner natürlichen Form eine monokline Kristallstruktur auf, wie sie im Mineral Baddeleyit zu finden ist. Bei Raumtemperatur nimmt es eine monokline Phase an, geht aber bei höheren Temperaturen in tetragonale und kubische Strukturen über. Die sich daraus ergebenden Volumenänderungen während dieser Übergänge führen zu Spannungen, die beim Abkühlen von erhöhten Temperaturen zu Rissen führen können. Die Stabilisierung der tetragonalen und kubischen Phasen wird durch den Einbau von Dotierstoffen wie Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Calciumoxid und Cer(III)-oxid erreicht.
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Stabilisierung und wirksame Dotierstoffe
Die Nützlichkeit von Zirkoniumdioxid erreicht oft ihren Höhepunkt in der stabilisierten Phase, die störende Phasenänderungen beim Erhitzen abschwächt. Yttriumoxid erweist sich als wirksames Dotiermittel, wenn es in kleinen Mengen zugesetzt wird. Durch diesen Zusatz werden unerwünschte Phasenübergänge vermieden und das Material erhält verbesserte thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften. Die tetragonale Phase kann, wenn sie metastabil ist, durch Umwandlung abgeschreckt werden, ein Mechanismus, der Risse komprimiert, das Wachstum verzögert und die Bruchfestigkeit erheblich verbessert, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Produkten, die stabilisiertes Zirkoniumdioxid verwenden, verlängert wird.
Variabilität der Bandlücke
Die Bandlücke von ZrO2 hängt von seiner Phase (kubisch, tetragonal, monoklin oder amorph) und den Präparationsmethoden ab. Die geschätzte Bandlücke liegt im Bereich von 5-7 eV (0,80-1,12 aJ) und variiert mit der Kristallstruktur, was die elektronischen Eigenschaften des Materials beeinflusst.
Tetragonaler Zirkoniumdioxid-Polykristall (TZP)
Eine bemerkenswerte Erscheinungsform von Zirkoniumdioxid ist der tetragonale Zirkoniumdioxid-Polykristall(TZP), der eine polykristalline Form bezeichnet, die ausschließlich aus der metastabilen tetragonalen Phase besteht. Diese einzigartige Konfiguration ist in der Materialwissenschaft von Bedeutung und zeigt das Potenzial von Zirkoniumdioxid in verschiedenen Anwendungen.
Schlussfolgerung
Zirkoniumdioxid mit seinen faszinierenden Kristallstrukturen, Phasenübergängen und der bemerkenswerten Wirkung stabilisierender Dotierstoffe erweist sich als keramisches Wunderwerk mit unvergleichlichen technischen Eigenschaften. Der strategische Einsatz von Additiven verbessert nicht nur seine thermischen und mechanischen Eigenschaften, sondern zeigt auch sein Potenzial, die Industrie zu revolutionieren, von der Herstellung von Edelsteinen bis hin zu modernen technischen Anwendungen. Stanford Advanced Materials leistet weiterhin einen Beitrag zur Spitze der Materialwissenschaft und treibt das Verständnis und die Anwendung von Zirkoniumdioxid zu neuen Höhenflügen an.
