เซรามิกเซอร์โคเนียมีชื่อเสียงในด้านความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่โดดเด่นเมื่อเทียบกับเซรามิกขั้นสูงอื่นๆ ในความเป็นจริง มักเรียกกันว่า "เหล็กเซรามิก" เพราะมันรวมความแข็งของเซรามิกเข้ากับความเหนียวที่ทัดเทียมกับโลหะบางชนิด
เพื่อให้เข้าใจถึงความแข็งแกร่งของมัน เราต้องแบ่งมันออกเป็นคุณสมบัติทางกลที่สำคัญสองประการ:
1. ความต้านทานแรงดัดงอ (หรือ Bend Strength) : ความต้านทานต่อการแตกหักภายใต้การโค้งงอ
2. Fracture Toughness: ความต้านทานต่อการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว
1. ความต้านทานแรงดัดงอ: ต้านทานการแตกหักได้อย่างน่าประทับใจ
เซอร์โคเนียมีความแข็งแรงดัดงอสูงที่สุดในบรรดาเซรามิกทั้งหมด
# ช่วงทั่วไป: 900 - 1,200 เมกะปาสคาล (MPa)
# สำหรับการเปรียบเทียบ:
* อลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์) : 300 - 550 MPa
* ซิลิคอนคาร์ไบด์: 350 - 550 MPa
* แก้วโซดาไลม์: ~50 MPa
* เหล็กอ่อน: ~ 400-500 MPa
ความหมายในทางปฏิบัติ: ส่วนประกอบเซอร์โคเนียสามารถทนต่อการดัดงอหรือแรงดึงได้มหาศาลก่อนที่มันจะแตกหัก ทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้าง เช่น ตลับลูกปืน เครื่องมือตัด และวัสดุปลูกฝังที่รับน้ำหนักคงที่
2. ความแข็งแกร่งของการแตกหัก: "ตัวเปลี่ยนเกม"
นี่คือจุดที่เซอร์โคเนียเปล่งประกายอย่างแท้จริง เซรามิกส่วนใหญ่มีความแข็งแรงแต่เปราะ ลองนึกถึงจานชามจีนดูสิ มันรุนแรงจนเกิดรอยแตกเล็กๆ แล้วแตกสลายอย่างหายนะ เซอร์โคเนียแตกต่างออกไปเนื่องจากมีกลไกพิเศษที่เรียกว่าการแข็งตัวของการเปลี่ยนแปลง
วิธีการทำงานของการทำให้แข็งตัวของการเปลี่ยนแปลง:
1. เฟสเสถียร: ที่อุณหภูมิห้อง เซอร์โคเนียจะถูกทำให้เสถียรในเฟสคริสตัลเตตรากอน
2. การแตกร้าวพบกับคริสตัล: เมื่อรอยแตกร้าวที่แพร่กระจายเข้าใกล้เม็ดเซอร์โคเนีย สนามความเค้นที่ปลายรอยแตกร้าวจะรบกวนสถานะที่มั่นคง
3. การเปลี่ยนแปลง: เม็ดเซอร์โคเนียที่เน้นความเครียดจะเปลี่ยนเป็นเฟสคริสตัลโมโนคลินิกที่มีความเสถียรมากขึ้นทันที
4. การขยายวอลุ่ม: การเปลี่ยนแปลงระยะนี้มาพร้อมกับการขยายวอลุ่ม 3-4%
5. การป้องกันรอยแตกร้าว: การขยายตัวนี้จะ "บีบ" รอยแตกร้าวจากด้านข้าง ปิดรอยแตกอย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันไม่ให้ขยายออกไปอีก
กลไกคล้ายการซ่อมแซมตัวเองนี้ทำให้เซอร์โคเนียมีความทนทานต่อการแตกหักซึ่งไม่มีใครเทียบได้ในหมู่เซรามิกออกไซด์
# ช่วงทั่วไป: 5 - 10 MPa√m
# สำหรับการเปรียบเทียบ:
* อลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์) : 3 - 5 MPa√m
* ซิลิคอนคาร์ไบด์: 3 - 4 MPa√m
* แก้วโซดาไลม์: ~0.7 MPa√m
* เหล็กบางชนิด: ~50-100 MPa√m (หมายเหตุ: โลหะมีความแข็งกว่ามาก)
ความหมายในทางปฏิบัติ: Zirconia มีความทนทานต่อความเสียหายสูง มีโอกาสล้มเหลวจากรอยขีดข่วนเล็กๆ การกระแทก หรือข้อบกพร่องภายในน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับเซรามิกอื่นๆ นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งาน เช่น ข้อต่อสะโพก ซึ่งการบิ่นหรือความล้มเหลวร้ายแรงไม่ใช่ทางเลือก
ปัจจัยที่ส่งผลต่อความแข็งแกร่งของเซอร์โคเนีย
ค่าความแข็งแกร่งข้างต้นเป็นค่าสำหรับชนิดที่พบมากที่สุด นั่นคือ Yttria-Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystal (Y-TZP) ความแรงอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ:
* การทำให้ออกไซด์เสถียร: อิตเทรีย (Y₂O₃) เป็นเรื่องปกติ แต่ซีเรีย (CeO₂) สามารถใช้เพื่อสร้างเกรดที่แข็งยิ่งขึ้นได้
* การประมวลผล: ความหนาแน่น ขนาดเกรน และความบริสุทธิ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิตถือเป็นสิ่งสำคัญ ความพรุนใดๆ จะทำให้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอ่อนตัวลง
* การย่อยสลายที่อุณหภูมิต่ำ (LTD): จุดอ่อนที่อาจเกิดขึ้น เมื่อมีน้ำหรือไอน้ำอยู่ที่อุณหภูมิระหว่าง 100-300°C พื้นผิวของ Y-TZP สามารถเปลี่ยนจากเฟสเตตราโกนัลไปเป็นเฟสโมโนคลินิกได้เอง ซึ่งนำไปสู่การแตกร้าวระดับไมโครและการสูญเสียความแข็งแรงทีละน้อยเมื่อเวลาผ่านไป สูตรเซอร์โคเนียสมัยใหม่ได้รับการปรับปรุงอย่างมากเพื่อต้านทานผลกระทบนี้
การใช้งานหลักที่ใช้ประโยชน์จากความแข็งแกร่ง
* การปลูกถ่ายทางการแพทย์: การเปลี่ยนข้อสะโพก การเปลี่ยนข้อเข่า และครอบฟัน/รากฟันเทียม (ซึ่งสีเหมือนฟันก็เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเช่นกัน)
* เครื่องมืออุตสาหกรรม: ใบมีดตัด แม่พิมพ์ดึงลวด และชิ้นส่วนที่ทนทานต่อการสึกหรอ (เช่น ซีลปั๊ม บูช)
* สินค้าอุปโภคบริโภค: กล่องนาฬิกา ใบมีด และแม้แต่ส่วนประกอบในสมาร์ทโฟน
* ยานยนต์: เซ็นเซอร์ (โดยเฉพาะเซ็นเซอร์ออกซิเจน) ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีไอเสียร้อน
โดยสรุป เซรามิกเซอร์โคเนียมีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ แต่คุณลักษณะที่กำหนดได้ก็คือมีความเหนียวในการแตกหักสูง การผสมผสานระหว่างความแข็ง ความแข็งแรง และความทนทานต่อความเสียหายที่เป็นเอกลักษณ์นี้ ทำให้กลายเป็นวัสดุที่เป็นตัวเลือกสำหรับการใช้งานที่ต้องการเงื่อนไขซึ่งเซรามิกอื่นๆ จะเปราะเกินไป
คุณอาจชอบ: อลูมินาเซรามิก, ซิลิคอนไนไตรด์เซรามิก
