مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 

ساير مكانيزم هاي افزايش تافنس

اگر چه افزايش تافنس با استفاده از استحاله هاي فازي كه در بالا توصيف شد، مكانيزم غالب افزايش تافنس در بيشتر سراميك هاي بر پايه ي زيركونياست، ساير مكانيزم هاي شناخته شده مانند انحراف ترك و پل زني سطح مشترك ترك، مي تواند در افزايش استحكام ماده، دخيل باشد. اين دو مكانيزم درماده اي مانند Mg-PSZ به عنوان نتيجه اي از ميل ترك ها به جلوگيري كردن از استحاله ي ذرات زيركونياي با فاز مونوكلينيك، است. اين مكانيزم ها بخش كمي از افزايش تافنس يك ماده را بر عهده دارند. دو مكانيزم افزايش تافنس ديگر سهم بزرگتري در تافنس كل دارند، عبارتند از ايجاد ميكروترك ها و تبديل فروالاستيك. اين مكانيزم ها نيازمند بررسي و توضيح بيشتري هستند. مورد اول بيشتر مورد علاقه است زيرا، اين روش ارتباط خوبي با روش افزايش تافنس با استحاله دارد. مكانيزم دوم نيز به دليل كاربرد در دماي بالا، مهم محسوب مي شود.

افزايش تافنس با استفاده از ترك هاي ميكروني

كرنش هاي مربوط به استحاله ي تتراگونال به مونوكلينيك، به حدي بزرگ است كه انطباق الاستيك خالص در ماده ي اطراف ذره ي در حال استحاله، غير اجتناب است. تطبيق اضافي با استفاده از تشكيل ميكروترك ها، تحت تنش هاي كششي مهيا مي شود، و اين مسئله موجب پديد آمدن انبساط اضافي مي شود. اين انبساط اضافي مي تواند در افزايش تافنس،‌ اثرگذار باشد (مشابه با حالت اتفاق افتاده در افزايش تافنس با استفاده از استحاله). كاهش در سفتي ماده ي ترك دار شده، در بخش جلوي ترك، همچنين شدت تنش را كاهش مي دهد. اين به نظر مي رسد كه اين افزايش در تافنس با ايجاد انبساط در نوك ترك،‌ بوجود مي آيد. مشاركت ميكروترك ها در افزايش تافنس، به سختي از اثر استحاله ي اوليه و اثر ذاتي ترك ها در كاهش تافنس، قابل جداسازي است. علارغم اين عدم قطعيت ها، شواهدي وجود دارد كه نشاندهنده ي مشاركت ميكروترك ها در افزايش تافنس مواد زيركونيايي تافنس يافته، مي تواند قابل توجه باشد.

تبديل فروالاستيك

اگر تنش هاي فشاري كافي در طول محور c زيركونياي تتراگونال، ايجاد شود، محور c مي تواند به يكي از لبه هاي مكعبي تبديل شود كه به جهات تبديل فروالاستيك، وابسته است. اين پيشنهاد شده است كه تغيير شكل منتج شده، مي تواند همچنين به عنوان منبعي براي تنش هاي محصور شده در پشت نوك ترك، محسوب شود و اين مسئله منجر به پديد آمدن يك اثر افزايش تافنس شود. استحاله ي فرواستاتيك به سهولت مي تواند با مطالعه ي فاز زيركونياي شبه پايدار مورد مطالعه قرار گيرد. اين فاز در طي كوئنچ زيركونياي داراي 3 %‌ مولي اكسيد ايتريوم، ايجاد مي شود (شكل 3aبخش قبل). اين فاز از لحاظ كريستالوگرافي با فاز t معادل است اما داراي مقادير بيشتري اكسيد پايدارساز است و تمايلي به ايجاد استحاله ي تتراگونال به مونوكلينيك ندارد. Foitzik و همكارانش، تخمين زده اند كه با استفاده از روش تبديل فروالاستيك در زيركونياي پايدار شده با 3 % مولي ايتريا (با فاز )، افزايش 3 تا 4 مگاپاسكالي در تافنس، ايجاد مي شود. اين مكانيزم پتانسيل مناسب تري نسبت به روش افزايش تافنس با استفاده از استحاله، براي بهبود خواص مكانيكي دارد. اين مكانيزم قادر است در دماهاي بالا كار كند و مسئول مشاهده ي افزايش تافنس در دماي بالاست.
استحكام مواد افزايش تافنس داده شده با استفاده از استحاله
در موادي كه رفتار ترد كلاسيك دارند، تافنس (T) يك ثابت منفرد براي ماده است. شرايط براي رشد ترك تحت تنش يكنواخت ( ) به گونه اي است كه شدت تنش اعمال شده ( ) از T بيشتر مي شود:

كه در اينجا، c طول ترك و ψ ثابت بدون بعدي است كه به شكل ترك وابسته است. بنابراين، براي مواد داراي ترك هاي هم شكل، استحكام بوسيله ي اندازه ي ترك بحراني و تافنس ماده، تعيين مي شود.
بر اين اساس، مقادير تجربي تافنس براي مواد افزيش تافنس يافته بواسطه ي استحاله ي فازي، به طور قابل توجهي از بيشتر مي شود. اين افزايش موجب مي شود تا استحكام اين مواد نسبت به مواد افزايش تافنس نيافته، به طور قابل ملاحظه اي افزايش يابد (تافنس ذاتي اين مواد به ندرت از فراتر مي رود. در حقيقت چندين گزارش منتشر شده است كه استحكام براي Y-TZP از 1 گيگا پاسكال فراتر مي رود و اين مقدار براي Y-TZP هاي داراي 20 % آلومينا، تا 2 گيگا پاسكال نيز مي رسد. به هر حال، اين جالب است كه بگوييم، Y-TZP كه متداول ترين ماده ي افزايش تافنس يافته ي مورد استفاده است، كمترين ميزان تافنس را ارائه مي دهد و تافنس آن ندرتا به مي رسد. مواد با تافنس بالاتر مانند Ce-TZP و Mg-PSZ معمولا استحكام هاي پايين تري را بوجود مي آورند. استحكام در اين مواد معمولا در حدود 800 MPa يا كمتر از اين مقدار، مي باشد. يك بررسي دقيق تر نشان داده است كه استحكام در اين ماده به طور ساده با تافنس قابل مقايسه نمي باشد. تمام سراميك هاي متداول كه بر پايه ي زيركونيا هستند، داراي يك ماكزيمم در نمودار استحكام- تافنس هستند. اين ماكزيمم نشاندهنده ي ماكزيمم استحكامي است كه براي يك مقدار تافنس معين، حاصل مي شود و اغلب به طور قابل توجهي از مقدار بدست آمده براي فرايند پيرسازي بهينه، كمتر است. يك مثال از اين نمودارهاي براي Mg-PS در شكل 1 نشان داده شده است.
يكي از دلايل براي انحراف از معادله ي ، كه بوسيله ي شكل 1 نشان داده شده است، اين است كه تافنس يك عدد تكي نيست اما در عوض اين تافنس با افزايش طول ترك، افزايش مي يابد. يك نتيجه ي مهم از ايجاد اين حالت در نمودار R اين است كه وقتي استحكام با در نظر گرفتن نقص هاي طبيعي، تعيين مي شود، استحكام عمدتا به شدت تيزي بخش اوليه ي نمودار R بستگي دارد و به تافنس حالت پايا، بستگي ندارد. بنابراين،‌ وجود يك ماكزيمم در نمودار استحكام- تافنس مي تواند به دليل رفتار نمودار R توصيف گردد اگر، نمودار R براي مواد با تافنس بالاتر، شيب اوليه ي كمتري نسبت به مواد با تافنس كمتر داشته باشند. مدل هاي اوليه براي افزايش تافنس با استفاده از استحاله، پيش بيني مي كند كه اين مسئله به وقوع مي پيوندد و شواهد تجربي در مورد اين موضوع نيز وجود دارد. اگر چه مقايسه ي دقيق بسيار مشكل است، Marshall و Swain نتيجه گيري كرده اند كه اين اثر به طور قابل ملاحظه اي به ماكزيمم نمودار استحكام- تافنس، بستگي دارد.
يكي ديگر از فاكتورهاي كه ممكن است استحكام ايجاد شده بوسيله ي فرايند افزايش تافنس با استفاده از استحاله را، تحت تأثير قرار دهد، خود استحاله است. توجه كنيد كه مواد با تافنس بسيار بالا در حالت خمش و پيش از شكست، نمودار تنش- كرنش غير خطي دارند. علت اين پديده، تغيير شكل نوارهاي استحاله يافته ي موجود در ماده است. اين نوارهاي معمولا عرضي برابر با 1 ميكرون دارند. يك چنين نوارهايي در اطراف فرورفتگي ها و در جلوي ترك هاي در حال انتشار، مشاهده مي شود (شكل 2). اين تصور وجود دارد كه در اين حالت، انتشار يك فرايند اتوكاتاليتيكي است و اين فرايند است كه تنش هاي بحراني پايين براي استحاله را تحريك مي كند و همچنين اين فرايند است كه مسئول ايجاد تافنس بالايي است كه در ماده ايجاد مي شود. اين نوارها شامل تنش هاي باقيمانده ي قابل توجهي است و به دليل وجود ميكروترك ها، ايجاد مي شود. اين ميكروترك ها به صورت عيوب بحران عمل مي كنند. مواد با تافنس پايين از نقوصي مي شكنند كه از قبل در آنها وجود دارد و از اين روست كه در اين مواد، استحكام با تافنس در ارتباط است. Swain پيشنهاده كرده است كه كمترين استحكام هاي مواد با تافنس بالا، نتيجه اي از تشكيل نوارهاي تغيير شكل در تنش هاي استحاله اي بحراني، مي باشد. اين تنش ها به صورت نقوص بزرگ عمل مي كنند و منجر به وقوع شكست سريع مي شوند. وقتي استحكام محدود به نقص، از تنش هاي استحاله اي، فراتر رود، استحكام به استحاله محدود مي شود و بنابراين، افزايش تافنس، افت مي كند.
اثر نوارهاي استحاله كننده بر روي شروع شكست، مي تواند به عنوان دليلي براي افزايش استحكام در زماني مطرح گردد كه فازهاي غير استحاله كننده مانند آلومينا به داخل سيستم وارد مي شود. آلومينا ممكن است توسعه ي نوارهاي استحاله كننده را بلوكه كند و بنابراين، تنش ها و اندازه ي ترك هاي ايجاد شده را كاهش دهد.
در نهايت، اين بخش، راهي براي استفاده از فرآوري مواد در توليد ريزسختارهاي مناسب براي كاربردهاي خاص، ارائه شده است. براي مثال اگر استحكام بالا مهم باشد، تعادل دانه ها يا اندازه ي رسوبات و درصد پايدار ساز مورد نياز بايد پايين در نظر گرفته شود تا بدين صورت تافنس بهينه حفظ گردد. براي ايجاد اطمينان و تحمل نوسانات تخريبي، ريزساختار بايد به نحوي اصلاح گردد كه در آن، بخش هاي فاز تتراگونال به طور ناگهاني استحاله دهند و بدين صورت تافنس ماكزيمم، حاصل شود. استحكام حاصله در اين حالت ممكن است پايين باشد اما اين استحكام به خوبي تعريف شده است و از همه مهم تر، اندازه ي حفره ي مورد نياز براي تخريب استحكام، نسبت به استحكام مربوط به عيوب كنترل كننده ي استحكام، بسيار بزرگتر است. يك ماده مانند Mg-PSZ كه داراي استحكامي بالاتر از استحكام ماكزيمم است، مي تواند يك سوراخ با قطر 1 ميلي متر را نيز بدون افت در استحكام،‌ تحمل كند.

فرآوري عملي زيركونيا

تمام زيركونياي ساختاري كه امروزه مورد استفاده قرار مي گيرند، با استفاده از زينترينگ پودرهاي با كيفيت بالا، توليد مي شوند. اين پودرها به صورت تجاري موجود هستند. در ادامه در مورد توليد پودر و توليد اجزاي پر دانسيته و محكم از اين ماده، صحبت مي كنيم.

توليد پودر

منابع اصلي توليد زيركونيا، كاني هاي بادليت ( ) و ماسه ي زيركني ( ) مي باشند. بادليت به طور بالقوه مينرالي است كه داراي درصد ناخالصي كم است اما امروزه تنها كمتر از 1 % از توليد زيركنياي توليد شده در دنيا، از اين منبع تأمين مي شود. اگر چه زيركن متداول ترين منبع مي باشد، اين ماده داراي ناخالصي هاي سيليسي زيادي است كه براي توليد زيركونياي با خلوص بالا،‌ بايد همه ي آنها جداسازي شود. اين فرايند به صورت تجاري، با استفاده از واكنش هاي شيميايي و اعمال عمليات هاي حرارتي، انجام مي شود. روش هاي توليد ارائه شده در اين مقاله، مهم ترين روش ها براي توليد تجاري اين ماده است.
در دماهاي بسيار بالا، زيركن بدون كمك واكنش هاي شيميايي، و در يك كوره ي قوس، به صورت گرمايي، تجزيه مي شود. اين تجزيه در دمايي در حدود 6000 انجام مي شود. زيركونياي حاصله از اين تجزيه، در يك بخش خنك كننده ي كوره، انجماد پيدا مي كند و بدين وسيله، دندريت هاي زيركونيايي تشكيل مي شوند. سرد شدن به حدي سريع انجام مي شود كه اجازه ي بازگشت واكنش و تركيب سيليس و زيركونيا، وجود ندارد. بدين ترتيب، سيليس به صورت پوششي بر روي زيركونيا تشكيل مي شود. اين لايه ي سيليسي با جوشاندن در داخل سديم هيدروكسيد مايع زدوده مي شود و محصول بدست آمده، شستشو و خردايش مي يابند و به صورت پودر در مي آيد.
زيركن نيز با حرارت دهي در دماهاي پايين تر (بين 2100 تا 2250) تجزيه مي شود. سيليس در اين گستره ي دمايي، به صورت مايع است و زيركونيا به صورت خوشه هاي ريز در اندازه اي زير 100 نانومتر، تشكيل مي شود. زيركونيا با استفاده از اسيد سولفوريك خالص سازي مي شود و بعد از طي فرايندهاي سانتريفيوژ، خشك كردن، آسياب كاريبا بايدر و استفاده از اسپري دراير، پودر زيركونيا توليد مي شود.
بيشتر پودرهاي زيركونياي صنعتي توليد شده، از لحاظ شيميايي مناسب هستند زيرا در توليد آنها دماهاي پاييني استفاده شده است و همچنين در فرايند توليد از مقدار مناسبي پايدارساز استفاده شده است. متداول ترين شكل جدايش شيميايي براي توليد زيركونيا، از جدايش سيليس از زيركن با استفاده از واكنش نفوذي با سديم هيدروكسيد در دماي 600 است:

سديم سيليكات با استفاده از آب زدوده مي شود. وجود اين آب موجب هيدروليز زيركونات و ايجاد كمپلكس هاي هيدروكسيد هيدراته مي شود. ماده ي حاصله، سپس با اسيد سولفوريك يا هيدروكلريدريك، شستشو مي شود و زيركونيوم سولفات بازي يا زيركونيل كلريد توليد مي شود. سپس با افزوده شدن آمونياك به مخلوط، رسوبات زيركونيوم هيدروكسيد تشكيل مي شود. اين ماده خشك مي شود و در دماي 900 كلسينه مي شود. بعد از فرايند كلسيناسيون، آسياب كاري و اسپري دراير براي توليد پودرهاي زيركونياي ريز، مورد استفادله قرار مي گيرد. اين روش پودر زيركونياي زير ميكروني با ميزان آگلومره شدن كم، توليد مي كند.
روش هاي توليد شيميايي مناسب ترين روش براي اضافه كردن مواد پايدار ساز است زيرا در اين روش ها، امكان مخلوط كردن مواد در مقياس اتمي، وجود دارد. در روش بازي بيان شده در بالا، يك نمك پايدار ساز كننده (مانند ايتريوم كلريد) به محلول زيركونيل كلريد اضافه مي شود و محلول حاصله با استفاده از آمونياك، رسوب دهي مي كند. مرحله ي خشك كردن عموما با تقطير آزئوتروپيك همراه است و بدين وسيله، جدايش پايدار سازها از زيركونيا به حداقل مي رسد و از اين رو، تمايل به تشكيل آگلومره هاي سخت، از بين مي رود.
روش هم رسوبي يك روش مناسب براي توليد اين ماده نمي باشد. در واقع در اين روش، تجزيه ي گرمايي به تنهايي براي توليد پودر زيركونيا استفاده مي شود. در اين مورد، پايدار ساز در داخل پودر زيركونيا پراكنده مي شود. اين كار با مخلوط كردن پودر با محلول نيترات پايدار ساز، انجام مي شود. وقتي اين مخلوط خشك شد، كلسينه مي گردد و تجزيه ي نيترات موجب پايدار شدن ذرات زيركونيا مي شود. عمليات حرارتي دما بالا به طور نمونه وار مورد نياز است تا بدين صورت، پايدار كننده در داخل ذرات زيركونيا نفوذ كند و اين مسئله منجر به درشت شدن و آگلومره شدن پودر مي شود.
اگر چه تصور متداول اين است كه يك توزيع هموژن از پايدار ساز بايد وجود داشته باشد، تحقيق اخير پيشنهاد مي كند كه توزيع غير يكنواختي از پايدار ساز مي تواند تافنس Y-TZP را افزايش دهد.
در حال حاضر، گسستگي شيميايي و حرارتي زيركن تنها تكنيك هايي است كه اجازه ي توليد انبوه پودرهاي زيركونيايي با هزينه ي اندك را مقدور مي سازد. ساير روش هاي كه براي توليد زيركونيا در مقياس آزمايشگاهي مورد استفاده قرار مي گيرند، عبارتند از ريخته گري از حالت مذاب، واكنش فاز بخار، رسوب دهي هيدروترمال و فراوري با استفاده از سل ژل مي باشد. اين تصور وجود دارد كه اين روش ها قادر به توليد زيركونياي با خواص بهتر نسبت به زيركونياي توليدي با روش تجاري، هستند. به دليل هزينه هاي بالاي اين روش ها،‌ امكان جايگزيني روش هاي توليد صنعتي با استفاده از اين روش ها،‌ امكان پذير نمي باشد.

توليد Mg-PSZ

توليد صنعتي Mg-PSZ ، پودر زيركونيايي توليد مي كند كه داراي 8 تا 10 % پايدار ساز به همراه كمك زينتر و زداينده هاي سيليس است. زدايش كامل سيليس سخت است و اگر اين ماده كنترل شود، امكان واكنش آن با اكسيد منيزيم وجود دارد. اين مسئله عمل پايدار سازي را مختل مي كند. اين ماده به عنوان ناخالصي در پودر باقي مي ماند. فرايند با استفاده از پرس معمولي و توليد قطعات خام شروع مي شود. اين قطعات پرسي، ممكن است تحت فرايند پرس ايزواستاتيك قرار گيرند تا بدين وسيله، خاصيت زينتر شوندگي و صلب شدن آنها بهبود يابد. در صورت نياز به ماشين كاري قطعات خام، استفاده از بايندر مناسب، مي تواند ما را ياري كند. بدنه هاي خام در اين حالت وارد فرايند زينترينگ مي شوند و در دمايي بين 1700 تا 1800 زينتر مي شوند. در اين حالت بدنه اي با دانسيته ي كامل توليد مي شود كه اندازه ي دانه اي در گستره ي 30 تا 60 ميكرون دارد. اين بدنه در دماي بالا از فاز مكعبي تشكيل شده است.
بعد از اين مرحله، بايد نواحي فازي مكعبي + تتراگونال پيرسازي شوند و بدين صورت، يك توزيع يكنواخت از رسوبات فاز تتراگونال در داخل دانه هاي مكعبي ايجاد مي شود. در عمل، دو راه اصلي براي حصول اين ساختار وجود دارد، ساده ترين راه براي حصول نتايج تكرار شونده، سرد كردن سراميك مكعبي تا دماي اتاق و سپس حرارت دهي مجدد آن در دماي مناسب مي باشد. براي اهداف عملي، سرد كردن سريع نيازمند نرخ سرمايش 500 درجه سانتيگراد بر ساعت مي باشد. سرمايش 500 درجه ي سانتيگراد بر ساعت در ناحيه ي مكعبي و تتراگونال منجر به ايجاد مقداري رسوبات زيركونياي تتراگونال مي شود اما قطر اين رسوبات عدسي مانند، برابر با 30 تا 60 نانومتر مي باشد. اين اندازه بسيار كوچك تر از حدي است كه موجب پديد آمدن پديده ي افزايش تافنس با استفاده از ايجاد استحاله در دماي اتاق، شود. بنابراين،‌ عمليات پيرسازي ديگري بايد در دمايي اندكي بالاتر از دماي يوتكتوئيد (حدود 1400) انجام شود تا بدين صورت رسوبات فاز تتراگونال زيركونيا، رشد كنند و به اندازه ي مناسب برسد. زمان هاي پيرسازي بهينه براي استفاده در دماي اتاق، برابر 4 ساعت مي باشد. در اين مورد اندازه ي رسوبات بايد درحدود 180 نانومتر قطر و 40 نانومتر ضخامت باشد. پيرسازي براي زمان هاي طولاني تر منجر به درشت شدن بيش از حد ذرات فاز تتراگونال مي شود. اين رشد بيش از حد منجر به انجام استحاله ي تتراگونال به مونوكلينيك در زمان نامناسب و به طور ناگهاني، مي شود.
فرايند دو مرحله اي توصيف شده در بالا، زمان برتر است و بنابراين، گران قيمت تر از روش زينترينگ و محلول سازي متعاقب است. برخي تفاوت هاي دقيق ميان رفتار رسوب دهي ايجاد شده در يك دماي ايزوترمال و رسوب دهي در دماي اتاق وجود دارد. اين فهميده شده است كه دماي نگهداري بهينه براي استفاده بعد از زينترينگ، تقريبا اندكي زير دماي يوتكتوئيد است. Hughan و Hannink فهميدند كه سرد كردن با نرخ 500 درجه ي سانتيگراد بر ساعت و حفظ به مدت 2 ساعت، مي تواند استحكامي در حدود 650MPa ايجاد كند. اين مقدار از استحكام با استحكام حاصله با روش دو مرحله اي كه در بالا بدان اشاره شد، قابل مقايسه است. مزيت اين روش، تك پخت بودن آن است.
سراميك هاي Mg-PSZ ي كه تافنس آنها افزايش يافته است، با استفاده از عمليات هاي پيرسازي ساب يوتكتيك، توليد مي شوند. اين عمليات به مدت چند ساعت در دماي 1100 انجام مي شود. اين فرايند بعد از عمليات پيرسازي اوليه انجام مي شود. عمليات پيرسازي ساب يوتكتيك داراي چندين اثر مي باشد، اما اين تصور وجود دارد كه مهمترين اين اثرات، تشكيل فاز شبه پايدار δ (〖Mg〗_2 〖Zr〗_5 O_15) در سطح مشترك ميان رسوبات تتراگونالي و زمينه ي زيركونياي مكعبي است كه قبلا وجود داشته است. اي كار، رسوبات فاز تتراگونال را بي ثبات مي كند و استحاله ي آنها تحت تنش را تسهيل مي كند. اين كار از طريق زدايش برخي از اكسيدهاي منيزيم پايدار كننده از رسوبات، انجام مي شود و موجب پديد آمدن تنش هاي محلي مي شود. اين تنش ها به دليل عدم تطابق ميان فاز δ و فاز تتراگونال، بوجود مي آيد. Hannink و همكارانش فهميدند كه تافنس حالت پايا مي تواند از ميزان 8 به برسد. اين افزايش با استفاده از عمليات پيرسازي ساب يوتكتيك در دماي 1100 به مدت 8 ساعت، انجام مي شود. نتايج مشابهي بوسيله ي Steinbrech گزارش شده است.

توليد TZP و ZTA

در حالي كه Mg-PSZ داراي يك روش توليد حساس و پر زحمت مي باشد، TZP هاي پلي كريستال با استفاده از روشي ساده تر توليد مي شود. در اين روش، بدنه ي خام زينتر مي شود و با سرد شدن، ريزساختار آن كه عمدتا از دانه هاي ريز زيركونيايي تتراگونال با اندازه هاي يكنواخت تشكيل مي شود، ايجاد مي گردد. پودرهاي رسوب كرده با اندازه ي 200 يا كمتر از 200 نانومتر، مناسب مي باشند و درصد پايدارساز بر طبق دياگرام فازي، اضافه مي شود. درصد پايدارساز براي توليد Y-TZP در حدود 2 تا 3 % مولي اكسيد ايتريوم است. البته 3 % مولي بيشتر ترجيح داده مي شود زيرا استحكام بالاتري ايجاد مي كند. اين مسئله ممكن است به دليل اين باشد كه استفاده از اين ميزان پايدار ساز موجب مي شود تا حداقل ميزان از دانه هاي با فاز مكعبي تشكيل گردد. همچنين استفاده از اين ميزان پايدار ساز موجب مي شود تا تشكيل نوارهاي استحاله دهنده، گسسته شود. براي Ce-TZP ميزان اكسيد سريوم در بين 12 تا 20 % مولي است كه افزودن 12 % بيشتر متداول است.
فرآوري پودر و توليد بدنه هاي خام مشابه با روشي مورد استفاده در توليد Mg-PSZ است. پودر ريز در اين روش مورد استفاده قرار مي گيرد و به علت اينكه نياز است تا به محوطه ي فاز تتراگونال برسيم نه فاز مكعبي، دماهاي زينترينگ پايين تري نياز داريم. Y-TZP در دمايي بين 1300 تا ℃ 1500زينتر مي شود. زمان اين زينترينگ 1 تا 2 ساعت مي باشد و اندازه ي دانه ي نهايي، بين 2/0 تا 3 ميكرون مي باشد. براي Ce-TZP، پخت در دمايي بين 1400 تا 1500 به مدت 1 تا 2 ساعت، انجام مي شود و دانه هايي هم محور با اندازه ي بين 2 تا 3 ميكرون، تشكيل مي شود. دانسيته اين بدنه ها را مي توان با استفاده از پرس ايزواستاتيك گرم يا سرد، بالا برد، اگر چه در هنگام پرس گرم Ce-TZP، نبايد از المان هاي حرارتي گرافيتي يا ساير بخش هاي دما بالا استفاده كرد، زيرا استفاده از محيط كاهشي، موجب كاهش CeO_2 و تشكيل 〖Ce〗_2 O_3 مي شود.
يكي ديگر ازملاحظاتي كه در فرآوري Y-TZP بايد در نظر گرفته شود، امكان پديد آمدن پيرسازي هيدروترمال است. اين فرايند با استحاله ي سطحي و ناگهاني زيركونياي تتراگونال و تشكيل فاز مونوكلينيك، همراه است. ماده اي كه تحت اين پديده قرار گيرد، در هنگام قرار گرفتن در محيطي كه تركيبي از حرارت و رطوبت در آن وجود دارد، استحكام خود را از دست مي دهد. چندين روش براي از بين بردن اين مشكل، وجود دارد. اين روش ها عبارتند از استفاده از اكسيد سريوم و كاهش اندازه ي دانه. با استفاده از اين روش و استفاده از برخي سازو كارهاي ديگر، مي توان پايداري فاز تتراگونال زيركونيا را افزايش داد. در حال حاضر، استفاده از مواد پلي كريستال TZP به گونه اي است كه تعادل ميان استحكام بالاي Y-TZP ها، پايداري فوق العاده در برابر پيرسازي هيدروترمال و تافنس بالاي Ce-TZP در اين مواد تجميع مي يابد.
روش هاي مشابهي با استفاده از پودرهاي مخلوطي زيركونيا و آلومينا در توليد ZTA استفاده مي شود.
خواص و كاربردهاي زيركونياي افزايش تافنس يافته با استحاله ي فازي
پيش از كشف پديده ي افزايش تافنس با استفاده از استحاله، زيركونياي پايدار شده عمدتا به عنوان عايق حرارتي در كوره ها مورد استفاده قرار مي گيرد. قابليت توليد دانسيته ي بالا موجب شده تا زيركونياي پايدار شده همچنين داراي خواص مفيد ديگري است. مثلا قابليت رسانايي اكسيژني در هنگام استفاده از اكسيد ايتريوم به عنوان پايدار ساز. اين خواص زيركونياي پايدار شده با ايتريا اصول توليد سلول هاي سوختي اكسيد جامد و سنسورهاي گاز اكسيژن را بوجود آورده است. خواص ذاتي زيركونياي پايدار شده با ايتريا مانند دماي ذوب بالا و انطباق ضريب انبساط حرارتي با فلزات، نيز موجب شده تا از اين ماده در پوشش هاي سد حرارتي استفاده شود.
متداول ترين كاربردهاي ساختاري زيركونيا به دليل تركيبي از خاصيت مقاومت به سايش، خنثي بودن شيميايي، خواص ايزوتروپيك و سهولت شكل دهي اين ماده به همراه استحكام بالا و قابليت اطمينان بالا به اين ماده، بوجود آمده است. علاوه بر اين، اجزاي توليدي با استفاده از مواد اكسيدي مانند زيركونيا و ZTA به طور قابل توجهي ارزان قيمت تر از اجزاي توليدي با موادي همچون سيليسيم كاربيد و سيليسيم نيتريد هستند. علت اين موضوع اين است كه توليد مواد بر پايه ي سيلسيم كاربيد و سيليسيم نيتريد، نيازمند دماهاي بالا و اتمسفر كنترل شده است. جدول1 مقايسه اي از خواص برخي از سراميك هاي تجاري را نشان داده است. مزيت هاي واضح مواد زيركونياي افزايش تافنس يافته، عبارتند از استحكام و تافنس بالا در دماي اتاق مي باشد. Y-TZP سخت تر از مواد رقيب است در حالي كه Ce-TZP داراي بالاترين تافنس است.
Mg-PSZ ماده اي است كه در آن، تعادل مناسبي ميان استحكام و تافنس وجود دارد در حالي كه خواص اين ماده در دماي اتاق با خواص Y-TZP قابل مقايسه است. اين ماده در دماي بالا نيز بخشي از تافنس خود را حفظ مي كند. اين به اين دليل است كه فاز مونوكلينيك زيركونيا به طور ترموديناميكي تا دماي 1000، پايدار است (شكل 1 بخش قبل)، در حالي كه فاز تتراگونال در بالاي دماي 500، شكل پايدار Y-TZP است. همچنين Ce-TZP نيز داراي مقاومت دربرابر وقوع استحاله ي تتراگونال به مونوكلينيك است.
ZTA يك ماده ي جالب توجه است زيرا استحكام و تافنس اين ماده به طور استثنايي بالاست و همچنين اين ماده داراي سفتي و سختي آلومينا نيز هست. وجود آلومينا همچنين موجب تقويت مقاومت در برابر شوك حرارتي زيركونيا مي شود.
تركيبي از سختي بالا، استحكام و مقاومت به شوك حرارتي ZTA موجب شده است تا اين مواد به عنوان يك ماده ي مناسب براي بسياري از كاربردها مانند ابزارهاي برش، مورد استفاده قرار گيرد. استفاده از سيليسيم كاربيد و سيليسيم نيتريد كه موادي گران قيمت تر هستند، بايد در كاربردهايي باشد كه نياز به مقاومت بالا در برابر دما و مقاومت در برابر شوك حرارتي باشد.
برخي از اجزاي دقيق توليد شده با Y-TZP در شكل 3 نشان داده شده است. زيركونياي با تافنس بهبود يافته، داراي كاربردهاي زيادي در صنايع مختلف هستند كه علت استفاده از آنها مقاومت به سايش و خنثي بودن اين ماده است. از اين ماده در كابردهايي مانند مواد آب بندي، پروانه ي موتور و ياتاقان هاي مورد استفاده در پمپ هاي ضد خوردگي، استفاده مي شود. ساير كاربردهاي مربوط به سايش عبارتند از توليد چاقوهاي سراميكي، بخش هاي برنده ي مورد استفاده در برش الياف كولار، كربن و صفحات فلزي. همچنين از اين مواد در برش كاغذ نيز استفاده مي شود. ساير كاربردهاي اين مواد در توليد بادامك، قالب، هدايت كننده هاي نخ در صنعت ريسندگي، در صنعت توليد سيم، حلقه ها و ماسوره هاي انتقال دهنده ي كابل و نخ و ... مي باشد. خواص الكتريكي و مغناطيسي اين مواد باعث شده است تا از آن در توليد عايق هاي دقيق، زيرلايه هاي سراميكي و ... استفاده شود.
در سال هاي اخير، زيركونيا همچنين داراي نقش مهمي در كاربردهاي پزشكي بوده است. از اين ماده در توليد استخوان مصنوعي گوي و كاسه اي ران، استخوان هاي مصنوعي مورد استفاده در اصلاح زانو و مفاصل، وسايل آندوسكوپي، دندان هاي مصنوعي و ... استفاده مي شود.
همانند ساير مواد پيشرفته، خواص زيركونيا نيز مي تواند بسته به كاربردش، تغيير كند. براي مثال، استحكام، تافنس، مقاومت به خوردگي و اندازه ي دانه ي ريز، از جمله خواصي است كه در توليد چاقوهاي سراميكي مد نظر قرار گرفته است. اين در حالي است كه خنثي بودن شيميايي، تافنس بالا، مقاومت به سايش و مقاومت در برابر شوك حرارتي، براي توليد اجزاي پمپ، مد نظر قرار
گرفته است. توليد زيركونياي با دانستيه ي بالا، اندازه ي دانه ي ريز و سطح نهايي مناسب، ميزان اصطكاك ايجاد شده در سري گوي و كاسه اي ايمپلنت ها را كاهش مي دهد.

توسعه هاي ديگر

از زماني كه Garvie و همكارانش پديده ي افزايش تافنس با استحاله ي فازي را شناسايي كردند، تحقيقات گسترده اي برروي اين پديده انجام شده است. با استفاده از اين تحقيقات، رابطه ي ميان ريزساختار و رفتار مربوط به ماده، تشخيص داده شده است. همانند ساير زمينه هاي تحقيقاتي، برخي از مباحث مربوط به پديده ي افزايش تافنس با استحاله ي فازي هنوز ناشناخته مانده است و نياز است تا تحقيقات در اين زمينه انجام شود. در ادامه مهم ترين زمينه هاي تحقيقاتي در اين زمينه بيان شده است.
اولين زمينه استفاده از افزايش تافنس با استحاله ي فازي براي ساير ريزساختارها مي باشد. تركيب استثنايي خواص ايجاد شده بوسيله ي ZTA نشان مي دهد كه زيركونيا پتانسيل خوبي در بهبود خواص مواد ديگر، دارد. همچنين دليلي وجود ندارد كه اين مكانيزم استحكام بخشي با ساير مكانيزم هاي استحكام بخشي مانند پل زني ترك، مورد استفاده قرار نگيرد. در يك روش مشابه، مطالعات آزمايشگاهي بر روي ساختارهاي لايه اي نشان داده است كه استفاده از اين ساختارها، انتشار ترك را كاهش مي دهد. استحكام بالاي زيركونيا كمك مي كند تا تنش هاي باقيمانده ي ايجاد شده در اين ساختارها كاهش يابد.
دومين زمينه اي كه به نظر زمينه ي جالب توجهي است، بررسي راه كارهاي افزايش تافنس زيركونيا در دماهاي بالا مي باشد. اين مشكل ذاتي ممكن است با استفاده از فرايند تبديل فروالاستيك، مرتفع گردد.
يكي از وظايف محققين در آينده، ادامه دادن تجاري سازي تكنولوژي هاي كنوني است. با توجه به بخش قبل، اين مواد سراميكي در بسياري از كاربردها، مورد استفاده قرار مي گيرند. در واقع به دليل وجود خواص استثنايي در اين مواد، استفاده از آن ها روز به روز در حال افزايش مي باشد.

/ج