Circonia coloreada: ¡É incriblemente impresionante!

Na era do 5G, a industria dos teléfonos intelixentes está a experimentar unha transformación, coa cerámica de circonio emerxendo como un material predilecto para os teléfonos intelixentes nesta rolda de remodelación tecnolóxica. En 2018, o lanzamento do teléfono de Xiaomi nunha cor coñecida como "Verde Xade" marcou o comezo da era dos teléfonos intelixentes cerámicos de cores, familiarizando gradualmente ao público con Circonia coloreada.

Co desenvolvemento da comunicación electrónica e a mellora do nivel de vida das persoas, a cerámica de circonio coloreada, debido á súa excelente biocompatibilidade, brillo metálico superior e boas propiedades mecánicas, atopou aplicacións crecentes na nosa vida cotiá, incluíndo nos campos dos materiais de restauración dental médica, a industria decorativa e os dispositivos terminais intelixentes móbiles. Non obstante, engadir "cor" á circonio non é unha tarefa doada.

"Os dous axentes colorantes son mutuamente excluíntes"

Actualmente, a circona coloreada dispoñible no mercado presenta principalmente unha rica variedade de cores debido á adición de diferentes elementos de terras raras, elementos metálicos e óxidos. A dificultade para preparar circona coloreada reside no feito de que a temperatura de sinterización das cerámicas de circona normalmente oscila entre os 1550 e os 1650 °C. A altas temperaturas, moitos pigmentos ou axentes colorantes poden descompoñerse ou volatilizarse, perdendo a súa eficacia; polo tanto, é difícil preparar cerámicas de circona de cores vibrantes simplemente engadindo pigmentos ou axentes colorantes. Ademais, a descomposición dos pigmentos pode dificultar a densidade dos produtos cerámicos, reducindo significativamente a dureza inherente dos materiais cerámicos, o que afecta negativamente á calidade dos produtos acabados. En consecuencia, a preparación de cerámicas coloreadas e o desenvolvemento de novas variedades de cores son cuestións críticas de atención dentro da industria, xa que as cerámicas de cores brillantes e non tóxicas con boas propiedades mecánicas teñen un potencial de aplicación de mercado moi amplo.

"O cuello de botella crítico na cerámica coloreada: control do po e tecnoloxía de sinterización"

1. Controlar a calidade do po é a clave

A preparación de circona coloreada ten como obxectivo principal lograr unha distribución uniforme do axente colorante dentro da matriz de circona. Isto é particularmente crucial para as cerámicas compostas, especialmente os nanocompostos, xa que o pequeno tamaño das partículas e a gran superficie específica tanto das partículas de pigmento como das matrices de circona provocan unha atracción electrostática significativa e forzas de van der Waals entre elas. Estas condicións promoven a aglomeración das partículas de pigmento e da matriz de circona, un fenómeno que non só resulta nunha coloración desigual das cerámicas nanocompostas, senón que tamén afecta o seu rendemento mecánico. Polo tanto, a forma de garantir unha dispersión uniforme das partículas de pigmento dentro da matriz de circona, producindo así cerámicas de circona coloreada con excelente rendemento mecánico e calidade de cor, depende de superar a aglomeración de partículas de po. Para producir cerámicas de circona de alto rendemento e cores diversas, é esencial identificar métodos de dispersión axeitados. Os métodos de preparación comúnmente utilizados inclúen os seguintes:

• Método de mestura en fase sólida: este é o método industrial máis empregado para preparar cerámicas de circonio coloreadas. Implica mesturar e moer con bólas os axentes colorantes, mineralizadores e outras partículas de óxido nunha proporción química específica con nanopo de circonio estabilizado. Ao longo deste proceso, as partículas sólidas experimentan un refinamento, o que leva á formación de microfendas, distorsións da rede e un aumento da enerxía superficial que facilita as reaccións químicas a baixa temperatura. Este método conta con vantaxes como a simplicidade, o baixo custo, a facilidade de funcionamento e o potencial para a industrialización, pero non pode resolver o problema da aglomeración de nanopartículas.
• Método de coprecipitación química: este método utiliza unha mestura de sales de circonio, sales de axente estabilizador e sales de ións colorantes en solución, que reacciona con bases ou carbonatos para formar precipitados de hidróxido ou carbonato, que posteriormente se quentan para obter po composto de circonio. Este proceso é relativamente complexo, pero produce pos de alta pureza con excelente rendemento. É importante ter en conta que o risco de aglomeración dura debe xestionarse ao usar métodos de precipitación química.
• Método de impregnación en fase líquida: Trátase dunha nova estratexia para preparar cerámicas de circona coloreadas. A vantaxe deste método reside na dispersión uniforme dos ións colorantes na matriz de circona, así como na capacidade de fabricar tanto materiais compostos como materiais de gradiente. Ademais, pódense obter diferentes formas de corpos verdes de circona mediante moldeo por inxección, que posteriormente se poden converter en varias formas de cerámicas de circona coloreadas mediante impregnación en fase líquida.

2. Métodos de sinterización

Ademais das diferenzas nos métodos de preparación que afectan ás propiedades de Po de circonio, o método de sinterización tamén inflúe no rendemento e na cor das cerámicas de circonio coloreado. Coa intersección de disciplinas e os avances na tecnoloxía, xurdiron moitos métodos de sinterización novos xunto coas técnicas de sinterización tradicionais:

• Sinterización por descarga eléctrica: Os investigadores realizaron probas mediante sinterización por descarga eléctrica, onde a temperatura de sinterización é o factor máis significativo que afecta á tenacidade das cerámicas de circonio, seguida do tempo de sinterización. A temperatura óptima de sinterización determinada mediante probas é de 1400 °C, sendo a mellor duración de sinterización de 5 minutos. As cerámicas de circonio producidas por este método presentan unha alta dureza e tenacidade á fractura.
• Sinterización por microondas: en comparación cos métodos de sinterización tradicionais, a sinterización por microondas presenta vantaxes irremplazables. É un método de quecemento uniforme no que o material converte a enerxía de microondas absorbida en enerxía cinética molecular e térmica, conseguindo un quecemento xeral do material. O gradiente de temperatura dentro do material é mínimo, o que reduce significativamente o risco de rachaduras debido a un quecemento desigual. As propiedades físicas da circona producida por este método de sinterización son notablemente superiores.

Clasificación da cor da circonia coloreada

Para satisfacer a demanda de cerámicas de circona coloreada de cor variable e rendemento estable que sexan respectuosas co medio ambiente e libres de contaminación en termos de materiais e procesos de preparación, desenvolvéronse máis de dez tipos de circona coloreada tanto a nivel nacional como internacional.

1. Sistema de cerámica vermella

O estado da investigación sobre a cerámica vermella non foi moi satisfactorio, principalmente debido á inestabilidade dos compoñentes do colorante, que non poden soportar altas temperaturas, ou porque os colorantes parecen vibrantes pero conteñen substancias nocivas para o corpo humano. Ademais, hai colorantes que son relativamente estables e libres de substancias nocivas, pero que non presentan cores vivas. A investigación descubriu que o uso de óxido de ferro (Fe₂O/A₃) como axente colorante, combinado con 3YSZ como matriz, dá lugar a cerámicas de circonio de cor vermella laranxa, cun valor de vermello máis alto que alcanza 20 e acompañado dun alto valor de amarelecemento; non obstante, a súa cor non cumpre os requisitos para o vermello. Ademais, a incorporación de óxido de ferro reduce significativamente as propiedades mecánicas do sistema 3YSZ, producindo unha tenacidade á fractura de só 5,0 a 6,0 MPa m1/2, o que limita en gran medida a súa aplicación industrial. En consecuencia, a cerámica vermella converteuse nun dos tipos de cerámica máis raros que non se poden producir en masa. O Huawei Mate 60 RS Extraordinary Master, lanzado por Huawei, presenta un deseño que utiliza cerámica vermella. Infórmase de que Huawei introduciu elementos de terras raras CeO2 no proceso de sinterización de cerámica vermella por primeira vez, con 60 días de meticulosa artesanía, seguido dunha calcinación a alta temperatura a 1400 ℃ e máis de 50 procesos de produción, que fixaron este ton de "vermello" baixo parámetros específicos, creando unha aparencia vermella uniforme por dentro e por fóra. Isto marca un fito como a primeira produción e comercialización en masa de cerámica vermella na industria da telefonía móbil.

2. Sistema de cerámica negra

Co desenvolvemento da cerámica, realizáronse diversas melloras baseadas en materiais de esmalte negro, o que deu lugar aos pigmentos cerámicos negros que agora se ven habitualmente na vida cotiá. Nos últimos anos, debido á escaseza e ao alto custo do óxido de cobalto, buscáronse alternativas para reducir os custos. Como resultado, preparáronse axentes colorantes cerámicos de circonia negra sen cobalto utilizando MnO2, Fe2O3 e Cr2O3 como materias primas, producindo espinelas de tres cores diferentes: espinela de cromita marrón escuro, espinela de manganeso férrico vermello escuro e espinela de manganeso crómico verde escuro. Axustando as proporcións de mestura para controlar o contido de cada espinela, pódese producir un axente colorante negro estable xa que as tres cores se inflúen mutuamente, o que reduce significativamente os custos e mellora os beneficios económicos.

Non obstante, durante o proceso de preparación da cerámica de circona negra, a estrutura de espinela multifásica é propensa a reaccionar coa matriz de circona, o que leva á destrución da estrutura da espinela, unha redución da estabilidade de fase, unha maior susceptibilidade ao rachado e dificultades para dar forma. Ademais, a cor dos pigmentos producidos a partir de pos de circona reducidos é gris escuro, o que supón un desafío aínda maior para a preparación dun negro brillante.

3. Sistema cerámico azul

O cobalto é o elemento máis antigo desenvolvido para o esmalte azul e, a día de hoxe, a industria aínda depende principalmente do óxido de cobalto (Co₂O/A₃) para sintetizar pigmentos compostos de espinela azul para a produción posterior de cerámica azul. Actualmente, os pigmentos cerámicos no espectro de cor azul inclúen principalmente pigmentos azuis de vanadio-circonio como colorantes, espinelas de cobalto-aluminio, espinelas de níquel-aluminio, así como colorantes de tipo espinela que utilizan outros ións para substituír os ións de cobalto, os hexaaluminatos e os colorantes a base de lantánidos. Ao tempo que se garante o rendemento da cor e as propiedades mecánicas, a investigación en curso céntrase na exploración de alternativas de colorantes azuis respectuosas co medio ambiente e económicas.