Zircone colorée : C'est extrêmement impressionnant !

À l'ère de la 5G, l'industrie du smartphone connaît une transformation profonde, et la céramique de zircone s'impose comme un matériau de choix pour les coques arrière. En 2018, la sortie du téléphone Xiaomi « Vert Jade » a marqué le début de l'ère des smartphones en céramique colorée, familiarisant progressivement le public avec ce matériau. Zircone colorée.

Avec le développement des communications électroniques et l'amélioration du niveau de vie, les céramiques de zircone colorées, grâce à leur excellente biocompatibilité, leur éclat métallique supérieur et leurs bonnes propriétés mécaniques, trouvent des applications croissantes dans notre vie quotidienne, notamment dans les domaines des matériaux de restauration dentaire, de la décoration et des appareils mobiles intelligents. Cependant, colorer la zircone n'est pas chose aisée.

« Les deux colorants sont incompatibles. »

Actuellement, la zircone colorée disponible sur le marché présente une riche palette de couleurs grâce à l'ajout de différents éléments de terres rares, d'éléments métalliques et d'oxydes. La difficulté de fabrication de la zircone colorée réside dans le fait que la température de frittage des céramiques de zircone se situe généralement entre 1550 et 1650 °C. À haute température, de nombreux pigments ou colorants peuvent se décomposer ou se volatiliser, perdant ainsi leur efficacité. Il est donc complexe d'obtenir des céramiques de zircone aux couleurs éclatantes par simple ajout de pigments ou de colorants. De plus, la décomposition des pigments peut réduire la densité des produits céramiques, diminuant ainsi considérablement leur ténacité intrinsèque et affectant négativement la qualité des produits finis. Par conséquent, la fabrication de céramiques colorées et le développement de nouvelles teintes constituent des enjeux majeurs pour l'industrie, car des céramiques non toxiques, aux couleurs vives et aux bonnes propriétés mécaniques présentent un potentiel d'application très large.

« Le principal obstacle dans le domaine des céramiques colorées : la maîtrise des poudres et la technologie de frittage »

1. Le contrôle de la qualité de la poudre est essentiel.

La préparation de la zircone colorée vise principalement à obtenir une distribution uniforme du colorant au sein de la matrice de zircone. Ceci est particulièrement crucial pour les céramiques composites, notamment les nanocomposites, car la petite taille des particules et la grande surface spécifique des particules de pigment et de matrice de zircone induisent d'importantes forces d'attraction électrostatique et de van der Waals entre elles. Ces conditions favorisent l'agglomération des particules de pigment et de matrice de zircone, un phénomène qui non seulement entraîne une coloration non uniforme des nanocomposites, mais affecte également leurs performances mécaniques. Ainsi, garantir une dispersion uniforme des particules de pigment au sein de la matrice de zircone, et par conséquent produire des céramiques de zircone colorée aux excellentes performances mécaniques et à la qualité de couleur optimale, repose sur la maîtrise de l'agglomération des particules de poudre. Pour produire des céramiques de zircone performantes et aux couleurs variées, il est essentiel d'identifier les méthodes de dispersion appropriées. Les méthodes de préparation couramment utilisées sont les suivantes :

• Méthode de mélange en phase solide : Il s’agit de la méthode industrielle la plus couramment utilisée pour la préparation de céramiques de zircone colorées. Elle consiste à mélanger et à broyer à billes des agents colorants, des minéralisateurs et d’autres particules d’oxyde dans un rapport chimique précis avec de la nanopoudre de zircone stabilisée. Au cours de ce processus, les particules solides subissent un affinement, ce qui entraîne la formation de microfissures, des distorsions du réseau cristallin et une augmentation de l’énergie de surface, favorisant ainsi les réactions chimiques à basse température. Cette méthode présente des avantages tels que la simplicité, le faible coût, la facilité de mise en œuvre et le potentiel d’industrialisation ; cependant, elle ne permet pas de résoudre le problème de l’agglomération des nanoparticules.
• Méthode de coprécipitation chimique : Cette méthode utilise un mélange de sels de zirconium, de sels stabilisants et de sels colorants en solution. Ce mélange réagit avec des bases ou des carbonates pour former des précipités d’hydroxydes ou de carbonates, qui sont ensuite chauffés pour obtenir une poudre composite de zircone. Ce procédé, relativement complexe, permet d’obtenir des poudres de haute pureté aux performances excellentes. Il est important de noter que le risque d’agglomération importante doit être maîtrisé lors de l’utilisation de méthodes de précipitation chimique.
• Méthode d'imprégnation en phase liquide : Cette méthode innovante permet de préparer des céramiques de zircone colorées. Son principal avantage réside dans la dispersion uniforme des ions colorants au sein de la matrice de zircone, ainsi que dans la possibilité de fabriquer des matériaux composites et des matériaux à gradient de couleur. De plus, le moulage par injection permet d'obtenir des ébauches de zircone de formes variées, qui peuvent ensuite être transformées en céramiques de zircone colorées de formes diverses par imprégnation en phase liquide.

2. Méthodes de frittage

Outre les différences de méthodes de préparation qui affectent les propriétés de Poudre de zirconeLa méthode de frittage influence également les performances et la couleur des céramiques de zircone colorées. Grâce à la convergence des disciplines et aux progrès technologiques, de nombreuses nouvelles méthodes de frittage ont vu le jour parallèlement aux techniques traditionnelles.

• Frittage par décharge électrique : Des chercheurs ont mené des essais de frittage par décharge électrique. La température de frittage s’avère être le facteur le plus déterminant pour la ténacité des céramiques de zircone, suivie de la durée de frittage. La température optimale de frittage, déterminée par les essais, est de 1 400 °C, et la durée optimale de frittage est de 5 minutes. Les céramiques de zircone produites par cette méthode présentent une dureté et une ténacité à la rupture élevées.
• Frittage par micro-ondes : Comparé aux méthodes de frittage traditionnelles, le frittage par micro-ondes présente des avantages irremplaçables. Il s’agit d’une méthode de chauffage uniforme où le matériau convertit l’énergie micro-ondes absorbée en énergie cinétique moléculaire et thermique, assurant ainsi un chauffage global. Le gradient de température au sein du matériau est minimal, réduisant considérablement le risque de fissuration dû à un chauffage inégal. Les propriétés physiques de la zircone produite par cette méthode de frittage sont nettement supérieures.

Classification des couleurs de la zircone colorée

Afin de répondre à la demande de céramiques de zircone colorées à couleur variable et aux performances stables, respectueuses de l'environnement et non polluantes en termes de matériaux et de procédés de préparation, plus de dix types de zircone colorée ont été développés tant au niveau national qu'international.

1. Système céramique rouge

L'état actuel de la recherche sur la céramique rouge n'est pas très satisfaisant, principalement en raison de l'instabilité des composants du colorant, qui ne résistent pas aux hautes températures, ou parce que ces colorants, bien qu'apparemment vifs, contiennent des substances nocives pour le corps humain. De plus, certains colorants sont relativement stables et exempts de substances nocives, mais leurs couleurs sont peu éclatantes. Des recherches ont montré que l'utilisation d'oxyde de fer (Fe₂LE₃L'utilisation d'oxyde de fer comme agent colorant, combiné à la zircone 3YSZ comme matrice, donne des céramiques de zircone de couleur rouge orangé, avec un indice de rougeur maximal de 20 et un indice de jaunissement élevé ; cependant, leur couleur ne répond pas aux exigences du rouge. De plus, l'incorporation d'oxyde de fer réduit considérablement les propriétés mécaniques du système 3YSZ, avec une ténacité à la rupture de seulement 5,0 à 6,0 MPa m^1/2, ce qui limite fortement son application industrielle. Par conséquent, les céramiques rouges sont devenues parmi les types de céramiques les plus rares et ne peuvent être produites en masse. Le Huawei Mate 60 RS Extraordinary Master, commercialisé par Huawei, présente un design utilisant de la céramique rouge. Il semblerait que Huawei ait introduit pour la première fois des terres rares (CeO₂) dans le processus de frittage de la céramique rouge, nécessitant 60 jours de fabrication minutieuse, suivis d'une calcination à haute température à 1 400 °C et de plus de 50 étapes de production, afin de fixer cette teinte de rouge grâce à des paramètres spécifiques, créant ainsi une apparence rouge uniforme à l'intérieur comme à l'extérieur. Cela marque une étape importante puisqu'il s'agit de la première production et commercialisation à grande échelle de céramique rouge dans l'industrie de la téléphonie mobile.

2. Système en céramique noire

Avec le développement de la céramique, diverses améliorations ont été apportées aux matériaux d'émaillage noir, aboutissant aux pigments céramiques noirs désormais omniprésents. Ces dernières années, face à la rareté et au coût élevé de l'oxyde de cobalt, des alternatives ont été recherchées afin de réduire les dépenses. Ainsi, des colorants céramiques noirs à base de zircone, sans cobalt, ont été élaborés à partir de MnO₂, Fe₂O₃ et Cr₂O₃, donnant naissance à trois spinelles de couleurs différentes : un spinelle chromite brun foncé, un spinelle ferrique manganèse rouge foncé et un spinelle chromique manganèse vert foncé. En ajustant les proportions de mélange pour contrôler la teneur de chaque spinelle, il est possible de produire un colorant noir stable, les trois couleurs s'influençant mutuellement, ce qui permet de réduire considérablement les coûts et d'améliorer la rentabilité.

Cependant, lors de la fabrication de la céramique de zircone noire, la structure spinelle multiphasée a tendance à réagir avec la matrice de zircone, ce qui entraîne la destruction de la structure spinelle, une réduction de la stabilité des phases, une susceptibilité accrue à la fissuration et des difficultés de mise en forme. De plus, la couleur gris foncé des pigments produits à partir de poudres de zircone réduite complexifie encore davantage l'obtention d'un noir brillant.

3. Système céramique bleue

Le cobalt est le premier élément développé pour la glaçure bleue, et aujourd'hui encore, l'industrie utilise principalement l'oxyde de cobalt (Co).₂LE₃L’objectif est de synthétiser des pigments composés de spinelle bleu pour la production de céramiques bleues. Actuellement, les pigments céramiques bleus comprennent principalement des pigments bleus de vanadium-zirconium, des spinelles de cobalt-aluminium, des spinelles de nickel-aluminium, ainsi que des colorants de type spinelle utilisant d’autres ions en remplacement des ions cobalt, des hexaaluminates et des colorants à base de lanthanides. Tout en garantissant les performances colorimétriques et les propriétés mécaniques, les recherches en cours visent à explorer des alternatives de colorants bleus respectueuses de l’environnement et économiques.