Struttura Cristallina, Diagrammi di fase, Ossidi stabilizzanti DELLA ZIRCONIA
La zirconia a temperatura ambiente si presenta come una polvere bianca inodore. Possiede una struttura cristallina polimorfa ossia con la capacità di mutare la propria struttura cristallina mantenendo invariata la composizione chimica originaria. E’ una ceramica tecnica, come l’ossido di zirconio (ZrO2), lo sono anche l’allumina (Al203), il nitruro di silicio (Si3N4), Carburo di Silicio(SiC) ecc. Questi, grazie alle loro proprietà superiori rispetto ai materiali tradizionali, sono sempre più utilizzati in campo ingegneristico. Tali materiali hanno una notevole resistenza all’usura, alla corrosione e una buona stabilità ad alte temperature.
- Fino a 1170°C presenta una struttura cristallina monoclina .
- Da 1170°C a 2370°C la struttura si trasforma da monoclina a tetragonale con contrazione volumetrica pari al valore massimo di 5%.
- Da 2370°C a 2690°C la struttura cristallina diventa cubica.
- Da 2690°C passa di stato, quindi, da solido a liquido.
Durante il raffreddamento la trasformazione inversa dalla struttura tetragonale alla struttura monoclina è di tipo martensitico; infatti la martensite che è una forma allotropica metastabile dell'acciaio, si comporta nello stesso modo durante il raffreddamento, che avviene con una espansione volumetrica. Questo comportamento porta ad un indebolimento del materiale stesso dovuto alla presenza di cricchenota1 pertanto la zirconia viene addizionata di Ossidi Stabilizzanti come: l'ossido di calcio, di magnesio o l'ittrio che andranno aggiunti a temperatura ambiente durante la fase in cui la zirconia è "parzialmente stabilizzata".
Per quanto riguarda le polveri libere di zirconia, l'espansione non è significativa ma prende maggiore importanza quando abbiamo a che fare con il verde (polveri compatte). In questo caso infatti, durante la sinterizzazione del verde, avviene la trasformazione della zirconia dalla fase monoclina alla fase tetragonale con la conseguente contrazione volumetrica. (1)
Caratteristiche di tre basilari microstrutture della zirconia
I - Questa struttura è tipica della zirconia parzialmente stabilizzata, prodotta con l’aggiunta di 8-10% mol % di MgO (Mg-PSZ).
Dopo la sinterizzazione e un raffreddamento controllato, la microstruttura presenta dei grossi grani cubici (50-100 μm) all’interno della quale sono dispersi in maniera coerente dei precipitati. Per ottimizzare la loro resistenza sotto stress, i precipitati sono posti all’invecchiamento ad una temperatura tra i 1100 e i 1450°C.
II - Questa struttura è caratteristica dei cristalli tetragonali a grana fine della zirconia. Viene prodotta con l’aggiunta di 2-4 mol % di Y2O3 o 9-14 mol % di CeO2.
Per migliorare la densificazione a temperature relativamente basse, necessaria per inibire la crescita dei grani, impurità come allumina e silice sono tollerati nella forma di un film formato da grani amorfi.
III - L’uso di particelle parzialmente stabilizzate in maniera dispersa porta a questo particolare tipo di struttura cristallina.
Le particelle sono incorporate in due modi : intergranulari (tipo IIIa) o intragranulari (tipo IIIb).
Sono state utilizzate diverse matrici genitori come allumina, mullite, nitruro di silicio ecc., in combinazione con diverse quantità di ossido di zirconio.
La frazione di volume, distribuzione e dimensione delle particelle in fase di lavorazione devono essere attentamente controllate per far si che si ottenga il materiale con le caratteristiche desiderate. (3)
Nota1- Le cricche sono fratture che si producono in materiali fragili e in materiali con diverse fasi. Quando la quantità d'energia utilizzata per lavorare il campione è superiore alla quantità che esso può assorbire, l'eccesso d'energia provoca cricche nel campione. Le cricche compaiono nei materiali fragili in campioni con rivestimenti. Tali campioni devono essere controllati durante l’intero processo di preparazione. |
BIBLIOGRAFIA link:
BIBLIOGRAFIA:
3) "Fabrication and Wear of Yttria Tetragonal Polycrystals", Ian Birkby, University of Leeds Ph.D.Thesis, 1994.
BIBLIOGRAFIA immagini:
2) www.sciencedirect.com