Традиционные керамические материалы обладают существенным недостатком - хрупкостью, ведущей к разрушению материала даже при незначительном ударе. В 80-е годы разработан способ получения монокристаллов на основе оксида циркония методом направленной кристаллизации расплава в «холодном контейнере» с использованием прямого высокочастотного нагрева.

Керамика из частично стабилизированного диоксида циркония обладает высокой механической прочностью, твердостью и износостойкостью. Технология монокристаллов позволяет получать размеры единичных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония до 40-50мм в поперечном сечении и длину до 120-140 мм.

 

Монокристаллы частично стабилизированного диоксида циркония - тетрагональные твердые растворы на основе ZrO2 с небольшими добавками оксидов иттрия, щелочноземельных или редкоземельных элементов.

Физико-химические свойства частично стабилизированного диоксида циркония сильно зависят от способа получения кристаллов, от их последующей термической и механической обработки, от вспомогательных добавок.

Средняя плотность:                     6,05 - 6,08 г/см3
Теплопроводность:                      8,7 Вт/м*ККТР(8-10)*10-6
Электрическое сопротивление:    1011 - 1012 Ом/см
Прочность на сжатие:                  2000 МПа
Ударная вязкость:                       8-16 МПа*м1/2
Прочность на изгиб:                    до 1300 МПа
Твердость по Виккерсу:               1300 кг/мм2
Твердость по Моосу:                    8,5
Коэффициент трения по стали:    0,17

 

Кристаллы частично стабилизированного диоксида циркония обладают высокой химической стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, расплавам металлов, окислительной атмосфере при повышенных температурах

Монокристаллы частично стабилизированного диоксида циркония (при концентрации стабилизирующей добавки оксида иттрия 2-4 мол. %) обладают рядом свойств, выгодно отличающих их как от металлов, так и от особо прочных керамических материалов. Инертность монокристаллов частично стабилизированного диоксида циркония выше, чем керамики, так как керамика обладает развитой поверхностью и отличной от нуля пористостью.

Прочность на сжатие частично стабилизированного диоксида циркония значительна выше, чем у всех известных керамических материалов и приближается к прочности закаленной стали. Ударная вязкость частично стабилизированного диоксида циркония также аномально высока. Следует также отметить высокую стойкость частично стабилизированного диоксида циркония к абразивному износу, при испытании на износ на стальных шариках (95*18) следов износа не обнаружено (при значительном износе шариков).

Данные свойства связаны с особенностями структуры частично стабилизированного диоксида циркония, а именно присутствием доменов размерами от десятков до сотен нанометров, которые формируется в выращенном кубическом монокристалле при его охлаждении в процессе фазового перехода кубической структуры в тетрагональную.

Экспериментально было определено, что различные добавки-стабилизаторы придают усиление разных свойств ЧСЦ:

Церий Ce, неодим Nd - повышают прочность и твердость кристалла;
Тербий Tb - уменьшает коэффициент трения;
Празеодим Pr - придает красивый зеленовато-болотный цвет.

 

Керамику на основе диоксида циркония заслуженно называют «керамической сталью».

 

Особенностью диоксида циркония является его полиморфизм. Чистый ZrO2 при комнатной температуре находится в моноклинной фазе и при нагреве испытывает фазовые превращения

 

  1197°С   2300°С   2600°С  
m-ZrO2 
-------> t-ZrO -------> c-ZrO -------> расплав

Схема фазовых переходов в чистом диоксиде циркония:   
m-, t-, c-ZrO2 – моноклинная, тетрагональная, кубическая модификации ZrO2, соответственно