Studio sulla preparazione e proprietà meccaniche delle ceramiche viola

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8755 (2023) Citare questo articolo

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Una correzione dell'autore a questo articolo è stata pubblicata il 27 luglio 2023

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Questo documento mira a preparare una ceramica viola indossabile intelligente che soddisfi i requisiti di colore dell'abbigliamento intelligente viola sul mercato dopo aver utilizzato il neodimio zirconato come agente cromogenico. Tuttavia, le prestazioni meccaniche della ceramica viola al neodimio zirconato non sono soddisfacenti, soprattutto perché ha una resistenza alla frattura estremamente bassa. Per risolvere questo problema, una zirconio stabilizzata con ittrio al 3% in moli (3YSZ) viene aggiunta al neodimio zirconato nella preparazione di ceramiche multifase per migliorarne le proprietà meccaniche. In questo esperimento, una serie di campioni ceramici con l'aggiunta di quantità crescenti di 3YSZ 0, 20, 40, 50, 60, 70 e 80% sono stati preparati nell'intervallo di temperature di sinterizzazione 1400–1500 °C. Si è riscontrato che alla stessa temperatura le proprietà meccaniche dei campioni ceramici miglioravano gradualmente con l'aumento del contenuto di 3YSZ. Inoltre, a parità di contenuto, le proprietà meccaniche dei campioni ceramici sono gradualmente migliorate con la diminuzione della temperatura. I risultati mostrano che quando 3YSZ ha una frazione di massa dell'80% ed è sinterizzato a 1400 °C, la resistenza alla frattura dei campioni ceramici preparati raggiunge 8,15 MPa‧m1/2, che è quasi due volte superiore a quella dello zirconato monolitico di neodimio 2,57 MPa‧m1/2. La durezza Vickers dei campioni ceramici preparati ha raggiunto 12,93 GPa, ovvero quasi l'88% in più rispetto allo zirconato di neodimio non drogato. Ciò indica che i campioni possono essere applicati in dispositivi indossabili intelligenti, come il backplane del telefono cellulare, con un certo significato pratico per l’ingegneria della tempra della ceramica zirconata.

Le ceramiche colorate sono ampiamente utilizzate in vari settori con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia dell'informazione. Poiché le ceramiche colorate sono di colore brillante, hanno una buona struttura metallica e hanno principalmente caratteristiche di bassa interferenza del segnale, hanno iniziato a essere sempre più utilizzate in dispositivi indossabili intelligenti come backplane di telefoni cellulari, anelli di orologi e altri. Tuttavia, la fragilità è uno dei principali punti deboli di queste ceramiche, in particolare delle ceramiche di zirconato di neodimio; pertanto, il miglioramento delle proprietà meccaniche, in particolare della resistenza alla frattura della ceramica, è diventata una priorità assoluta. Matsumura et al.1 hanno preparato un materiale ceramico La2Zr2O7 utilizzando il metodo dell'idenzena e hanno misurato che la sua tenacità alla frattura e resistenza alla flessione hanno raggiunto rispettivamente 1,9 MPam1/2 e 172 MPa. Lee et al.2 hanno aggiunto l'ossido di ittrio allo zirconato di gadolinio per preparare ceramiche composite e hanno scoperto che la durezza Vickers aumentava da 6 a 10 GPa. Yu Zhang et al.3 hanno drogato la zirconia stabilizzata con ossido di itterbio con zirconato di gadolinio, con conseguente miglioramento significativo della resistenza alla frattura del materiale.

La zirconio ha le caratteristiche della tempra a cambiamento di fase; pertanto, il cambiamento di fase martensitico è una delle sue principali caratteristiche. Pertanto, è comunemente utilizzato per migliorare la resistenza alla frattura dei materiali ceramici4. La zirconia è stata ampiamente studiata e la ricerca sulla ceramica di zirconio rimane un punto caldo. Le ceramiche di zirconio sono sempre più utilizzate, tra gli altri, nei settori aerospaziale, elettronico, metallurgico e delle comunicazioni5. Il biossido di ittrio viene aggiunto alla maggior parte della zirconia. In particolare, alla zirconia viene aggiunto il 6–8% in moli di Y2O3 per ottenere una fase cubica, mentre il 3–6% in moli di ittrio viene aggiunto alla zirconia per ottenere una zirconia parzialmente stabilizzata. Una zirconia completamente stabile ha un'elevata conduttività ionica, mentre una zirconia parzialmente stabilizzata ha eccellenti proprietà meccaniche a temperatura ambiente e ad alta temperatura6.

Molti metalli di transizione non hanno un solo stato di valenza nel composto ma coesistono anche in più stati di valenza. Fujimori7 chiamò questo fenomeno la teoria dello stato di valenza misto. Ciò è dovuto all'esistenza di difetti puntiformi nel cristallo, che fanno sì che il cristallo abbia speciali proprietà magnetiche, ottiche ed elettriche. Finora sul mercato sono disponibili ceramiche in zirconio rosso, preparate aggiungendo triossido di ferro alla zirconia per produrre il colore rosso8. Le ceramiche viola vengono preparate aggiungendo ossido di neodimio o zirconato di neodimio alla zirconia9. Le ceramiche celesti vengono preparate aggiungendo ossido di nichel e ossido di allumina alla zirconia10. Le ceramiche verdi vengono preparate aggiungendo alla zirconia11 una certa quantità di ossido di nichel, ossido di allumina, ossido di cromo e ossido di silicio. Le ceramiche colorate preparate in questi mercati hanno un'ampia gamma di applicazioni, principalmente in decorazioni e dispositivi indossabili intelligenti, come backplane di telefoni cellulari, anelli di orologi e altri12,13.