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Ceramica zirconia (ZrO2)

Ceramica zirconia (ZrO2)

La ceramica zirconia è un tipo di ceramica tecnica ampiamente utilizzata nelle applicazioni industriali. In genere non viene prodotta da zirconia pura, ma piuttosto da zirconia miscelata con stabilizzatori come CaO, MgO, CeO₂ o Y₂O₃ durante il processo di sinterizzazione. Questi stabilizzatori conferiscono alla ceramica di zirconia proprietà diverse. Ad esempio, l'ossido di zirconio stabilizzato con ittrio (YSZ) ha una temperatura di esercizio teorica di circa 500°C (in pratica, è spesso inferiore), mentre l'ossido di zirconio stabilizzato con magnesia (MSZ) può sopportare temperature superiori a 2200°C se lavorato con tecniche specializzate.
Il processo di produzione della ceramica di zirconio prevede la formazione di polveri, la sinterizzazione ad alta temperatura e la lavorazione CNC. Oltre ai consueti vantaggi della ceramica, come la resistenza all'usura e alla corrosione, la ceramica di zirconio si distingue per l'eccezionale tenacità alla frattura, che la rende più facile da lavorare rispetto alla maggior parte delle altre ceramiche.

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Caratteristiche

  • Elevata finitura superficiale
  • Alta densità
  • Resistenza superiore
  • Resistenza alla corrosione
  • Resistenza alle alte temperature
  • Resistenza all'usura
  • Alto modulo elastico

 

Tabella delle proprietà della ceramica di zirconio

Generale Unità YSZ MSZ
Colore bianco giallo
Densità g/cm³ 6.02 5.75
Assorbimento dell'acqua % 0 0
Permeabilità al gas atms-cc/sec tenuta al gas <10-¹º tenuta al gas <10-¹º

 

Proprietà meccaniche Unità YSZ MSZ
Durezza Vickers (500 g) GPa (kg/mm² ) 12.5 (1250) 11.7 (1200)
Durezza Rockwell R45N 80 78
Resistenza alla compressione a 25°C MPa (psi x 10³) 2485 (360) 1862 (270)
Resistenza alla flessione (MOR)
(3 punti) @ 25°C
MPa (psi x 10³) 951 (138) 586 (85)
Durezza alla frattura (trave con intaglio)
MPa·m^1/2
10 12
Modulo di elasticità GPa (psi x 10⁶)  210 (30) 206 (29.8)
Rapporto di Poisson 0.30 0.28
Modulo di trazione a 25°C MPa (psi x 10³) 550 (80) 310 (45)

 

Proprietà termiche Unità YSZ MSZ
Conduttività termica a 25°C W/m-K 2.2 3
Capacità termica specifica J/g-°C <= 0.600 0.500
C.T.E. 25 - 100°C x 10-⁶/°C 6.9 8.9
C.T.E. 25°-300°C x 10-⁶/°C 8.1 9.7
C.T.E. 25°-600°C x 10-⁶/°C 10.5 10.0
Temperatura massima di servizio (aria) Fahrenheit (°F)  572 3992
Temperatura massima di servizio (aria) Celsius (°C)  300 2200

 

Proprietà elettriche Unità YSZ MSZ
Costante dielettrica a 1 MHz 30  22.7
Costante dielettrica @ Gigahertz 6.2
Perdita dielettrica a 1 MHz 0.0018
Perdita dielettrica @ Gigahertz 6.2
Rigidità dielettrica (spessore 0,125") V/mil 240 300
Resistività di volume a 25°C ohm-cm > 1 x 10¹³ > 1 x 10¹³
Resistività di volume a 300°C ohm-cm 1 x 10¹º 5 x 10⁷
Resistività di volume a 500°C ohm-cm 1 x 10⁶ 1 x 10⁷
Resistività di volume a 700°C ohm-cm 5 x 10³ 2 x 10⁶

*The values represent typical material properties and may vary depending on product configuration and the manufacturing process, For further information, do not hesitate to contattateci.

Applicazioni

Zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ):

  • Raccordi resistenti alla corrosione
  • Parti resistenti all'usura
  • Impianti dentali e protesi articolari
  • Componenti piccoli e di alta precisione
  • Ceramica decorativa

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Zirconia stabilizzata con magnesio (MSZ):

  • Utilizzato principalmente in ambienti ad alta temperatura

 

 

Tre tipi di ceramica composita di zirconio

Zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ)
Magnesia stabilizzataZirconia (MSZ)
Allumina indurita con zirconio (ZTA)

Zircone nero

 

Le ceramiche di ossido di zirconio completamente stabilizzate sono prodotte a partire da ossido di zirconio puro senza l'aggiunta di stabilizzanti e vengono sinterizzate a temperature che raggiungono i 2000°C, ottenendo un aspetto trasparente, noto anche come ossido di zirconio trasparente, con una struttura cristallina cubica. L'ossido di zirconio parzialmente stabilizzato si riferisce a ceramiche di ossido di zirconio sinterizzate con stabilizzatori come l'ittrio, la magnesia o la calce, caratterizzate da una struttura cristallina che consiste nella coesistenza di fasi monoclinali e tetragonali.

Mg-PSZ (magnesia-zirconia parzialmente stabilizzata)
Questo materiale ceramico viene parzialmente stabilizzato con l'aggiunta di una piccola quantità di magnesia (MgO), ottenendo una miscela di fasi tetragonali, monoclinali e cubiche.

Le caratteristiche della ceramica Mg-PSZ
La fase tetragonale può trasformarsi in fase monoclinica sotto sforzo, un processo chiamato transformation toughening, che aumenta la tenacità.
L'Mg-PSZ presenta un'elevata resistenza e offre un'ulteriore resistenza alla frattura.

MSZ (Zirconia stabilizzata con magnesio)
L'MSZ si ottiene aggiungendo una quantità maggiore di magnesia, che stabilizza completamente l'ossido di zirconio in una fase cubica. Ciò impedisce le trasformazioni di fase a temperature relativamente basse, con conseguente maggiore stabilità.

Le caratteristiche della ceramica MSZ
Fase prevalentemente cubica, con fasi monoclinali o tetragonali minime o assenti.
Manca la tempra di trasformazione, ma offre un'eccezionale stabilità alle alte temperature e resistenza alla corrosione chimica.
La tenacità è inferiore, ma eccelle nelle applicazioni ad alta temperatura e resistenti agli agenti chimici.

Le ceramiche di zirconia fuse elettricamente sono realizzate con un processo di fusione elettrica, che consente di ottenere granulometrie altamente controllate. Queste ceramiche sono progettate specificamente per ambienti con notevoli variazioni di temperatura.

Possono sopportare temperature fino a 2500°C e offrono un'eccezionale resistenza agli shock termici. Anche in condizioni di riscaldamento rapido, come da 25°C a 1500°C, il materiale non subisce danni.

Ciò rende l'ossido di zirconio fuso elettricamente un materiale ideale per i crogioli, riducendo significativamente i tempi di preriscaldamento e migliorando l'efficienza della produzione e riducendo al minimo il rischio di incrinature durante l'uso.

L'allumina temprata con zirconio (ZTA) combina una matrice di allumina (Al₂O₃) con la zirconia (ZrO₂) come fase di tempra. Quando le particelle di ZrO₂ subiscono una trasformazione di fase, si espandono, creando una tensione di compressione in corrispondenza delle punte delle cricche. Questa tensione di compressione impedisce la propagazione delle cricche e migliora significativamente la tenacità del materiale.
Le ceramiche ZTA sono ampiamente utilizzate in applicazioni che richiedono un'elevata forza, durata e resistenza alla frattura.

Lavorazione e trasformazione della ceramica zirconia
WEIERT CERAMICS è il miglior produttore di ceramica di zirconio in Cina, specializzato nello sviluppo di materiali ceramici industriali e nella lavorazione CNC di precisione di componenti in zirconio.

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