紫色セラミックスの作製と機械的性質に関する研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8755 (2023) この記事を引用

629 アクセス

メトリクスの詳細

この記事に対する著者の訂正は 2023 年 7 月 27 日に公開されました

この記事は更新されました

この論文は、発色剤としてジルコン酸ネオジムを使用した後、市場の紫色スマートウェアの色要件を満たすスマートウェアラブル紫色セラミックを調製することを目的としています。 しかしながら、ジルコン酸ネオジム紫色セラミックの機械的性能は満足できるものではなく、特に破壊靱性が極めて低い。 これを解決するには、多相セラミックの製造時に 3 mol% イットリア安定化ジルコニア (3YSZ) をジルコン酸ネオジムに添加して、その機械的特性を改善します。 この実験では、3YSZ の添加量を 0、20、40、50、60、70、80% と増加させた一連のセラミック サンプルを 1400 ～ 1500 °C の焼結温度範囲で調製しました。 同じ温度では、3YSZ の含有量が増加するにつれて、セラミックサンプルの機械的特性が徐々に向上することがわかりました。 さらに、同じ含有量でも、セラミックサンプルの機械的特性は温度の低下とともに徐々に向上しました。 結果は、3YSZが80%の質量分率を有し、1400℃で焼結された場合、調製されたセラミックサンプルの破壊靱性が8.15MPa・m1/2に達し、これはモノリシックジルコン酸ネオジムの破壊靱性のほぼ2倍であることを示しています。 2.57MPa・m1/2。 準備されたセラミックサンプルのビッカース硬度は 12.93 GPa に達し、これはドープされていないジルコン酸ネオジムよりも 88% 近く高くなります。 これは、サンプルが携帯電話のバックプレーンなどのスマート ウェアラブルに適用できることを示しており、ジルコン酸セラミックスの工学的強化に関して一定の実用的意義があります。

科学技術の急速な発展に伴い、着色セラミックスはさまざまな産業で広く使用されています。 カラーセラミックは色が明るく、良好な金属質感を持ち、主に低信号干渉特性を備えているため、携帯電話のバックプレーンや時計のリングなどのスマートウェアラブルでの使用が増え始めています。 しかし、これらのセラミック、特にジルコン酸ネオジムセラミックの大きな弱点は脆さです。 したがって、機械的特性、特にセラミックスの破壊靱性を改善することが最優先事項となっています。 松村ら 1 は、ヒデンジン法を使用して La2Zr2O7 セラミック材料を調製し、その破壊靱性と曲げ強度がそれぞれ 1.9 MPam1/2 と 172 MPa に達することを測定しました。 Lee et al.2 は、酸化イットリウムをジルコン酸ガドリニウムに添加して複合セラミックを調製し、ビッカース硬度が 6 GPa から 10 GPa に増加することを発見しました。 Yu Zhang et al.3 は、酸化イッテルビウム安定化ジルコニアにジルコン酸ガドリニウムをドープし、材料の破壊靱性を大幅に向上させました。

ジルコニアは相変化強化の特性を持っています。 したがって、マルテンサイト相変化はその主要な特徴の 1 つです。 したがって、セラミック材料の破壊靱性を向上させるために一般的に使用されます4。 ジルコニアは広く研究されており、ジルコニアセラミックの研究は依然としてホットスポットです。 ジルコニア セラミックは、航空宇宙、エレクトロニクス、冶金、通信などの業界でますます広く使用されています5。 ほとんどのジルコニアには二酸化イットリウムが添加されています。 具体的には、立方晶相を得るためにジルコニアに6〜8 mol%のY2O3を添加し、部分安定化ジルコニアを得るためにジルコニアに3〜6 mol%のイットリウムを添加する。 完全に安定したジルコニアは高いイオン伝導率を持ち、部分的に安定したジルコニアは室温および高温で優れた機械的特性を示します6。

多くの遷移金属は、化合物内に 1 つの価数状態しか持たず、複数の価数状態が共存します。 Fujimori7 はこの現象を混合原子価状態理論と呼びました。 これは結晶内の点欠陥の存在によるもので、その結果、結晶は特殊な磁気的、光学的、電気的特性を持ちます。 これまでのところ、ジルコニアに三酸化鉄を添加して赤色を生成する赤色ジルコニア セラミックが市場に出回っています8。 紫色セラミックスは、酸化ネオジムまたはジルコン酸ネオジムをジルコニアに添加することによって調製されます9。 スカイブルーセラミックスは、ジルコニアに酸化ニッケルと酸化アルミナを添加することによって調製されます10。 グリーンセラミックスは、ジルコニアに酸化ニッケル、酸化アルミナ、酸化クロム、酸化ケイ素を一定量添加することによって調製されます11。 これらの市場で製造される着色セラミックは、主に装飾品や携帯電話のバックプレーン、時計のリングなどのスマート ウェアラブルに幅広い用途があります12、13。