Zirconia là gì? Các nghiên cứu khoa học về Zirconia

Zirconia là gì?

Zirconia, tên hóa học là zirconium dioxide (ZrO2), là một hợp chất gốm vô cơ có cấu trúc tinh thể bền vững và các đặc tính cơ học, hóa học, nhiệt học đặc biệt. Nó là một trong những vật liệu tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và y học nhờ vào độ cứng cao, độ bền vượt trội, khả năng chịu mài mòn, tính trơ hóa học và khả năng dẫn ion oxy khi được pha tạp. Zirconia xuất hiện tự nhiên dưới dạng khoáng vật baddeleyite, nhưng trong công nghiệp, zirconia thường được sản xuất thông qua quá trình xử lý hóa học từ khoáng zircon (ZrSiO4).

Là một loại gốm kỹ thuật cao (advanced ceramic), zirconia có thể được tùy biến tính chất bằng cách pha tạp với các oxit kim loại như yttria (Y2O3), magnesia (MgO), calcia (CaO) hoặc alumina (Al2O3) để ổn định cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ thấp và cải thiện tính chất cơ lý. Zirconia hiện diện trong các ứng dụng từ implant nha khoa, lớp phủ chịu nhiệt, đến điện cực trong tế bào nhiên liệu và linh kiện điện tử hiệu suất cao. Với sự phát triển của công nghệ vật liệu, zirconia ngày càng giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực công nghệ tiên tiến như công nghệ nano, in 3D gốm và vật liệu y sinh.

Các pha tinh thể và chuyển pha nhiệt độ

Zirconia có ba dạng pha chính tùy thuộc vào nhiệt độ:

• Pha monoclinic: Ổn định ở nhiệt độ phòng đến khoảng 1170°C. Khi làm nguội nhanh từ pha cao hơn, zirconia có thể chuyển về pha monoclinic với sự thay đổi thể tích khoảng 3–5%, dễ gây nứt vỡ vật liệu.
• Pha tetragonal: Ổn định trong khoảng nhiệt độ từ 1170°C đến 2370°C. Khi được pha tạp với một lượng thích hợp yttria hoặc các oxit khác, pha này có thể được duy trì ở nhiệt độ thấp và giúp gia tăng độ bền cơ học nhờ hiệu ứng toughening.
• Pha cubic: Tồn tại ở trên 2370°C nhưng có thể ổn định ở nhiệt độ phòng nếu pha tạp đủ lượng oxit ổn định. Đây là pha có cấu trúc đối xứng nhất, dẫn điện ion tốt nhất và được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng.

Chuyển pha từ tetragonal sang monoclinic có thể được khai thác như một cơ chế chống crack tự nhiên: khi có vết nứt, vùng gần crack sẽ chuyển pha làm tăng thể tích, sinh ra ứng suất nén chống lan crack, được gọi là transformation toughening. Cơ chế này là lý do chính giúp zirconia có độ bền gãy cao hơn phần lớn các loại gốm khác.

Đặc tính cơ học, hóa học và điện học

Zirconia thể hiện nhiều đặc tính nổi bật khiến nó trở thành một trong những loại gốm hiệu suất cao nhất:

• Độ cứng: Đạt 1200–1400 HV trên thang Vickers, giúp chống xước và chống mài mòn vượt trội.
• Độ bền gãy (fracture toughness): Từ 8–10 MPa·√m, cao hơn nhiều loại gốm truyền thống như alumina (2–4 MPa·√m).
• Giới hạn bền uốn: Lên đến 900–1200 MPa, đủ để ứng dụng trong các chi tiết cơ khí chịu lực.
• Trơ hóa học: Không phản ứng với axit, kiềm hoặc dung môi hữu cơ thông thường, thích hợp cho môi trường ăn mòn.
• Chịu nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy khoảng $2715^\circ C$, giúp hoạt động ổn định trong các môi trường nhiệt độ cao.
• Dẫn điện ion: YSZ có độ dẫn ion oxy cao ở nhiệt độ từ 700–1000°C, phù hợp với pin nhiên liệu và cảm biến khí.

Để hiểu sâu hơn về các đặc tính cơ lý của zirconia, có thể tham khảo bài nghiên cứu tại ScienceDirect - Properties of Zirconia Ceramics.

Các dạng zirconia pha tạp và ứng dụng tương ứng

Pha tạp zirconia với các oxit kim loại là kỹ thuật chính giúp kiểm soát cấu trúc và tối ưu hóa tính năng vật liệu. Các dạng phổ biến bao gồm:

• Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ): Pha 3–8 mol% Y2O3. Ứng dụng trong SOFC, lớp phủ nhiệt trong động cơ, lớp điện phân trong cảm biến oxy.
• Partially Stabilized Zirconia (PSZ): Pha một lượng thấp oxit để giữ hỗn hợp pha tetragonal và cubic, vừa đảm bảo độ bền cơ học vừa ổn định nhiệt.
• Magnesia-Stabilized Zirconia (MSZ): Sử dụng MgO làm chất ổn định, dùng trong gạch chịu lửa, vòi rót luyện kim và lót lò công nghiệp.

Các vật liệu zirconia ổn định có thể được chế tạo dưới dạng khối, màng mỏng, bột nano hoặc composite để phục vụ cho từng ứng dụng cụ thể. Chi tiết có thể xem tại Ceramic Industry - YSZ Applications.

Ứng dụng rộng rãi của zirconia

1. Nha khoa và y sinh

Zirconia là vật liệu lý tưởng cho phục hình nha khoa do có màu trắng tự nhiên, tương thích sinh học và độ bền cơ học cao. Nó được dùng để sản xuất mão răng, cầu răng, trụ implant và các cấu trúc phục hình trên implant. Đặc biệt, zirconia giúp giảm khả năng mòn răng đối diện và không gây phản ứng viêm nướu như một số hợp kim kim loại khác.

Trong y học, zirconia còn được dùng làm khớp nhân tạo, vòng đệm xương, dụng cụ phẫu thuật do đặc tính trơ sinh học và kháng khuẩn tốt. Vật liệu này cũng được nghiên cứu làm nền cho các thiết bị y tế cấy ghép lâu dài.

2. Kỹ thuật cơ khí và dao cụ

Với khả năng chịu mài mòn và độ bền cơ học cao, zirconia được sử dụng trong các bộ phận chịu tải trọng và ma sát như vòng bi, trục xoay, bơm hoá chất, đầu van. Dao gốm làm từ zirconia được ưa chuộng trong nhà bếp và phòng thí nghiệm vì có lưỡi dao sắc, không bị gỉ và bền lâu.

3. Năng lượng và điện hóa

Trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), YSZ được dùng làm chất điện phân do khả năng dẫn ion O2− ở nhiệt độ cao, giúp tạo dòng điện mà không cần đốt cháy trực tiếp nhiên liệu. Zirconia còn là thành phần chính trong cảm biến oxy dùng trong xe hơi và công nghiệp để đo lượng O2 trong khí thải và điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu/không khí.

4. Gốm kỹ thuật cao và vật liệu chức năng

Zirconia là thành phần quan trọng trong gốm điện tử, linh kiện điện môi, gốm sứ kết cấu, bộ lọc chất lỏng và đầu dò trong máy phân tích khí. Với khả năng chống ăn mòn, zirconia còn được dùng để phủ các chi tiết kim loại chống oxy hóa trong môi trường khắc nghiệt, hoặc làm nồi nung trong ngành luyện kim và sản xuất thủy tinh kỹ thuật cao.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Với tiềm năng lớn, các nghiên cứu hiện nay về zirconia tập trung vào:

• Phát triển zirconia nano giúp tăng diện tích bề mặt và hoạt tính trong xúc tác hoặc cảm biến.
• Tích hợp zirconia vào vật liệu composite để tạo vật liệu siêu bền cho ngành hàng không và quốc phòng.
• Ứng dụng in 3D zirconia để sản xuất linh kiện chính xác và phục hình cá nhân hóa trong y học.
• Tăng độ dẫn ion ở nhiệt độ thấp để mở rộng ứng dụng trong pin nhiên liệu vận hành dưới 500°C.

Các xu hướng này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu mà còn giảm chi phí và mở rộng phạm vi ứng dụng của zirconia trong thực tế. Tìm hiểu thêm tại Nature - Advances in Ceramic Science.

Kết luận

Zirconia là một vật liệu tiên tiến đa năng, vừa có tính ổn định hóa học cao, vừa chịu được môi trường nhiệt khắc nghiệt và ứng suất cơ học lớn. Việc pha tạp và kiểm soát cấu trúc tinh thể giúp zirconia trở thành một trong những vật liệu gốm hiệu suất cao nhất hiện nay, thích hợp cho các ứng dụng từ nha khoa, y tế, công nghiệp nặng đến năng lượng sạch. Sự kết hợp giữa đặc tính bền vững, khả năng tùy biến và tương thích sinh học khiến zirconia ngày càng giữ vai trò trung tâm trong phát triển vật liệu hiện đại, góp phần cải tiến công nghệ trong nhiều ngành công nghiệp chủ chốt của thế kỷ 21.