Cercetarea proprietăților structurii oxidului de zirconiu în calitate de microsenzor

INTRODUCERE

Zirconiul are o combinaţie unică de proprietăţi, care de mult timp ne permite utilizarea lui ca un material structural în reactoarele nucleare. Datorită acestor proprietăţi acest materal a fost în astfel de scopuri, de cînd acesta este în stare să ofere o putere mecanică dorită şi procesează caracteristicile comune unor metale, dar cu o absorbţie termică a neutronilor mai scăzută. La fel de important este rezistenţa la coroziune, care poate fi vazută la nivel de suprafaţă.

De curînd, departamentele chimice şi aeronautice au început să folosească aceste avantaje, de corozie redusă, ale acestor clase de materiale. La fel, comunitatea din domeniul biomedicinei, a început să folosească materiale care au la bază Zirconiu, la construcţia protezelor, în mod special pentru proprietăţile lor de uzură scăzută. Produse chimice de calitate sunt mai des utilizate în aceste domenii, de obicei, decît produsele nucleare. Aliajele produselor chimice de calitate, la fel posedă compoziţii similare cu omologii săi nucleari, cu excepţia faptului că ele nu sunt sărăcite cu apariţia în mod natural al hafmiului. Hafmiul este considerat echivalentul chimic al Zr, dar absorbţia lor de neutroni este foarte diferită, fapt ce necesită schimbări pentru a putea fi utilizate în aplicaţii nucleare.

Multe din procesele care se referă la mediile de degradare a metalelor, care duce după sine procesele care au loc la suprafaţă şi localizează procesele de transport în adîncime. Acestea pot fi studiate pe sistemele model, prin diferite metode specifice. În plus, faţă de ciclurile termice şi expunerile de gaze sau lichide, la fel putem încerca simularea mediului de radiaţie, folosind bombardarea de electroni.

Zirconiul este un material extrem de rezistent. Acesta are o inerţie chimică şi o temperatură de topire mult mai mare ca temperatura de topire al aluminiului. Zirconiul are o conductibilitate termică scăzută. Conduce curentul electric la la o temperatură de peste 6000C astfel oferind oportunitatea de a fi folosit ca senzor de oxigen şi ca suspector de încălzire în cuptoare cu inducţie de mare temperatură. În aliaj cu platina, e posibil de construit un filament care emite luminia în mediu ambiant. Proprietăţile principale ale ZrO2:

- Temperatura de utilizare de pînă la 24000C

- Are o densitate înaltă

- Conductibilitate termică scăzută (20% din cea a Al)

- Inert din punct de vedere chimic

- Proprietăţi de conducţie a ionilor

- Rezistenţa la uzură

- Rezistenţă la fracturare

- Duritate ridicată

Utilizări tipice ale ZrO2:

- Ca bile de precizile la robinete

- Role şi ghiduri pentur formarea tuburilor metalice

- Ghidarea prin fire şi sîrmă

- Extrudarea la cald a metalelor

- Compactarea pulberelor moarte

- Sigilarea pompelor marine şi a arborelui de ghidare

- Senzori de oxigen

- Cuptoare de inducţie de temperaturi înalte

- Membrane ale celulelor de combustibil

- Cuptoare electrice de temperaturi de peste 20000C în medii oxidante

Zirconiul Pur există în cele trei faze de cristal la temperaturi diferite. La temperaturi foarte ridicate (> 2370°C), materialul are o structură cubică. La temperaturi intermediare (1170-2370°C) are o structura tetragonală. La temperaturi scăzute (sub1170°C) materialul se transformă într-o structură monoclinică. Transformarea de la tetragonal la monoclinic este rapidă şi este însoţită de o creştere de 3-5% a volumului care zauzează un caracter extins al materialului. Acest comportament distrugeproprietatile mecanice ale componentelor fabricate în timpul răcirii şi face zirconiu, pur inutil pentru orice aplicaţie structurală sau mecanică. Mai mulţi oxizi care se dizolvă în structură cristalină, folosind zirconiul, outem încetini sau elimina aceste schimbări de structură ale ctistalelor. Ca aditivi sunt frecvent utilizaţi materiale ca MgO, CaO, şi Y2O3. Cu sume suficiente adăugate, e posibil de menţinut structura cubică de temperatură ridicată chiar şi la temperatura camerei. Structura cubică stabilizată a Zr este un material util şi rezistent, ceramic tehnic, deoarece nu trece prin tranziţii de fază distructive în timpul încălzirii şi răcirii.

Stresul controlat, introdus în extinderea volumică la inversiunea din structură tetragonală în structură monoclinică, se foloseşte pentru a produce o putere foarte mare, grele, greu de oxidat pentru utilizarea lor în domenii mecanice şi structurale. Există mai multe mecanisme care permit întărirea şi creşterea tenacităţii zirconiului cu structură tetragonală. Aceasta reprezintă o problemă forate complicată, care în linii generale poate fi explicată ca o dependenţă de dimensiunile moleculelor din nodurile structurale, istoria termică, tipul şi cantitatea de stabilizator utilizată în aliaj.