היסטוריית הפיתוח של קרמיקה עמידה בפני שחיקה
לחומר קרמי אלומינה יש את היתרונות של קשיות גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני שחיקה ויתרונות שאין דומה להם של חומרי מתכת. יש לו מגוון רחב של חומרי גלם ומחירים נמוכים, שאין שני לו מחומרים קרמיים אחרים כמו סיליקון קרביד, סיליקון ניטריד וזירקוניה. יש לו סיכויי יישום אטרקטיביים מאוד בתעופה וחלל, תעופה, חלקי בלאי מנועים, כלים ותחומים אחרים, והוא הטכנולוגיה המרכזית והחומר המועדף בתעופה וחלל, אנרגיה אווירית, מטלורגיה ועוד. עם זאת, הקשרים הכימיים של חומרים קרמיים Al2O3 הם קשרים יוניים. יש לו כיווניות חזקה וחיסכון באנרגיה גבוה, מה שהופך את העיוות הפלסטי לקשה, שביר ורגיש לסדקים. השבריריות של חומרים קרמיים אלומינה מגבילה מאוד את הפופולריות והיישום של חומר זה.
לכן, יש לנקוט בצעדים מסוימים על מנת לשכלל את המיקרו-מבנה של גבישים קרמיים ככל האפשר, כאשר החשוב שבהם הוא חידוד הגרגירים עד כמה שניתן, מה שישפר מאוד את קשיחות השבר של חומרים קרמיים. קרמיקה היא חומר שביר, שרובו השבר מתרחש בגבולות התבואה. כאשר גודל הגרגר קטן, גבולות התבואה אחראים לחלק גדול. כאשר הוא נשבר לאורך גבולות התבואה, נתיב התפשטות הסדק הופך מפותל. ככל שהגרגר עדין יותר, הדרך ארוכה יותר, האנרגיה הנדרשת גדולה יותר, וקשיחות השבר גבוהה יותר. בנוסף, הגודל הראשוני של פגמים (סדקים) בגוף הסינטר זהה לגודל הגרגר. בעת זיקוק הגרגירים, הגודל הראשוני של הפגם (סדק) קטן יותר בהתאם וערך קשיחות השבר שלו גבוה יותר. ניתן לראות שלגודל הגרגיר יש השפעה רבה על קשיחות השבר. עלינו להגביר את הצפיפות תוך שמירה על גרגירים עדינים. התגבשות עדינה היא המפתח להבטיח את קשיחות השבר של חומרים קרמיים.
לאחר הבנה בסיסית של מנגנון החוזק והקשיחות של חומרי Al2O3, על מנת להפחית את שבירותם של חומרים קרמיים מבוססי Al2O3-, בנוסף לשימוש בטכנולוגיית הכנה מתקדמת, נלמדו גם מגוון שיטות התקשות. שימוש בהקשחת זיפם SiC, התקשות סיבים, התקשות טרנספורמציה של ZrO2, התקשות פיזור חלקיקים וננו-חומרים יכולים להשיג אפקט התקשות טוב, אך ישנן דרגות שונות של פגמים, התאמה של שפם קשה לפתור את הרעילות של שפם והפיזור האחיד שלו במטריקס; כאשר חומר השפם גבוה מדי, הצפיפות של החומר הקרמי תהיה קשה. על מנת להשיג אפקט התקשות סיבים טוב, יש להספוג את הסיבים במלואם במטריקס ולפזר אותם בצורה אחידה, אך קשה להשיג זאת בתהליך, וקשה לשלוט על איכות התקשות הסיבים. ZrO2 מייצר התקשות טרנספורמציה מרטנסיטית תחת פעולת לחץ, והשפעת ההתקשות שלו פוחתת בחדות עם עליית הטמפרטורה. השפעת ההקשחה של החלקיקים קשורה קשר הדוק לחוזק החיבור בין ממשקי הפאזות Al2O3, אך התוצאה של התקשות החלקיקים מפחיתה לעיתים קרובות את הקשיות והחוזק של החומר הקרמי, וכתוצאה מכך ירידה ביציבות הדיאלקטרית וביציבות התרמית של החומר. . ההשפעה מוגבלת מאוד.
מבשר ננו ZrO2 (3Y) יכול למנוע ביעילות צמיחה חריגה של גרגרי Al2O3 ולהשיג חומרים קרמיים עם גרגרים עדינים. השיפור בקשיחות השבר נובע מהגדלת הצפיפות, עידון הגרגירים והקשחת שדה הלחץ השיורי של ננו-ZrO2.
זהו תהליך של מחקר ופיתוח מתמשכים; ויצירה, המהווה את מוצרי הקרמיקה העמידים בפני שחיקה הנפוצים בשוק של היום.
