Nanocompozite Alumino-Zirconice

1. OXIDUL DE ZIRCONIU. OXIDUL DE ALUMINIU

Proprietăţile deosebite ale oxidului de zirconiu (ZrO2), îl impun în ştiinţa si ingineria materialelor ca un material stabil chimic, rezistent mecanic, cu coeficient termic scăzut, densitate mare si înaltă refractaritate [1].

ZrO2 este privit ca o ceramică ionică fragilă. Raportul razelor celor doi ioni, de 0.57 sugerează coordinarea cubică a opt oxigeni în jurul fiecărui ion de Zr4+ si respectiv a patru ioni de Zr4+ dispuşi tetraedric în jurul fiecărui ion de O2-; în cazul unui raport ideal al razelor (0.72) acesta corespunde structurii fluorinei

Dioxidul de zirconiu se caracterizează prin trei varietăti polimorfe: monoclinic, tetragonal si cubic; de asemenea la presiune ridicată există si o a patra varitate, si anume cea ortorombică (figura 1). Tranzitia polimorfă are loc la urmatoarele temperaturi:

Figura 1. Diagrama de fază pentru sistemul unar ZrO2

Datele cristalografice ale varietătilor polimorfe sunt prezentate în tabelul 1 iar reprezentările spatiale ale celulelor elementare sunt date în figura 2 [1].

Tabelul 1. Datele cristalografice si densitatea formelor de ZrO2

ZrO2 monoclinic ZrO2 tetragonal ZrO2 cubic

Structura cristalului Monoclinic Tetragonal Cubic

Caracteristici cristaline a = 5,156 A

Densitate 5,830 g/cm3 6,100 g/cm3 6,090 g/cm3

Figura 2. Celulele elementare ale formelor polimorfe ale oxidului de zirconiu

Transformarea tetragonal - monoclinic este o transformare distorsională, însotită de o anomalie dilatometrică prezentată în figura 3 (varietatea monoclinică este mai putin densă iar trecerea tetragonal - monoclinic provoacă o crestere de volum de ordinul 3-5% [2,3] ceea ce conduce la distrugerea probei). Explicatia acestei anomalii este faptul că materialul se dilată la cresterea temperaturii dar contractia nu se face pe aceeasi rută, apărând astfel un histeresis de dilatare.

Pentru evitarea acestei variatii de volum de la varietatea tetragonală la cea monoclinică, oxidul de zirconiu se stabilizează cu cationi de Ca2+, Mg2+, Ce4+, Y3+ dar si cu Nb5+, Nd3+, Th4+, transformănd astfel reteaua oxidului în solutie solidă.

La stabilizarea totală se constată o liniarizare a curbei de dilatare, ceea ce reprezintă o comportare normală pentru orice tip de material oxidic. La stabilizarea partială se observă numai o micsorare a acestei anomalii de dilatare, în sensul că se reduce variatia de volum în anumite limite.

Din punct de vedere tehnic, o deosebită importantă o are transformarea martensitică, reprezentată de transformarea polimorfă a Această transformare apare fie în procesul de răcire a produselor, fie la temperatura camerei indusă de tensiuni datorate prezentei fisurilor. Din punct de vedere cinetic această transfomare presupune două etape: una de nucleatie a fazei monoclinice si alta de crestere a cristalelor fazei tetragonale. Etapa hotărâtoare a transformării martensitice este nucleatia care se realizează numai pe anumite fete cristalografice ale

Transformarea martensitică prezintă urmatoarele caracteristici:

- este autocatalitică;

- are un mod propriu de crestere a frontului de transformare;

- este reversibilă pentru granulele partial transformate;

- este dependentă de dimensiunea granulelor si cantitatea de stabilizator folosită.