ЧСЦ

Кристаллы частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСЦ) – новый конструкционный неметаллический материал, у которого прочность, пониженная хрупкость и химическая инертность сочетаются с высокой химической стойкостью в агрессивных средах в широком интервале температур. ЧСЦ – это твердый раствор на основе диоксида циркония с небольшими добавками оксидов иттрия, щелочно-земельных или редкоземельных элементов. При частичной стабилизации кристаллическая решетка диоксида циркония частично трансформируется из тетрагональной (кубической) в моноклинную, приобретая иерархическую микро- и наноструктуру. Высокопроизводительная безотходная технология синтеза позволяет получать монокристаллы ЧСЦ до 50 мм в поперечнике и длиной до 180 мм (ссылка на фото).  ЧСЦ обладает более высокими эксплуатационными характеристиками, чем керамические материалы того же состава, а также высокопрочная сталь и титан.

ЧСЦ
Наноструктура ЧСЦ

Новый состав ЧСЦ, разработанный РВТ совместно с Институтом общей физики Российской академии наук, отличается супервысокой прочностью при трении и скольжении, высшей огнеупорностью, отсутствием взаимодействия с  агрессивными средами и рядом других преимуществ, выгодно отличающих его от особо прочных диэлектрических материалов из керамики и металла. Изделия из ЧСЦ режут не хуже, а скалываются значительно меньше, чем сапфировые и даже алмазные. Их прочностные характеристики сохраняются высокими при повышенных температурах (до 1400 oС) в окислительных средах и повышаются на 70% при снижении температуры до -140 oС, в то время как в керамическом материале при повышенных температурах идут процессы рекристаллизации, изменяющие и ухудшающие механические свойства исходного материала. Кристаллы ЧСЦ обладают повышенной стойкостью к кислотам, щелочам, парам воды, отличаются большой стойкостью к абразивному износу и аномально низким коэффициентом трения -0,04 по стали и 0,08 по ВК-сплавам, что значительно меньше коэффициентов трения металл-металл, металл-сапфир и т.д.  

ЧСЦ-товарная продукция
       
Таблица Сравнение ЧСЦ с другими кристаллическими материалами 
Кристалл Химический
состав
Плотность,
г/см3
КТР, 106
Предел прочности на изгиб,
МПа
Трещинностойкость
(критич. коэф. Инт. напр., К1с)
Микротвердость,
ГПа
Сапфир  Al2O3 3,96 8 300-500 3-4 1900
Фианит  ZrO2-10 мол% Y2O3 5,7 – 5,9 10-11 200-400  2-4 1200-1600
ЧСЦ ZrO2 - 3 мол% Y2O3 5,99 – 6,08 8-9  500-1200 8-14 1300-1700
Нитрид кремния Si3N4 3,2 3,2 600-900 5-7 1600
Карбид кремния SiC 3,2 4,2 500-600 3-4 2800

Эксплуатационные свойства ЧСЦ позволяют использовать его в качестве материала для деталей конструкций, работающих в экстремальных условиях высоких механических нагрузок, химически агрессивных сред, повышенных температур, в отсутствии смазки и т.д. Благодаря существованию мелкодоменной (10-400А) наноструктуры в кристаллах ЧСЦ и их высокой механической прочности возможно изготовление из них инструмента с большой остротой режущей кромки . ЧСЦ является незаменимым материалом для изготовления трущихся деталей механизмов, сверхтвердых режущих инструментов, зубных и костных имплантатов, фильер для волочения проволоки и др. Свойство превращаться при нагревании из диэлектрика в проводник позволяет использовать ЧСЦ в качестве твердого электролита.

Таблица Достоинства ЧСЦ как конструкционного материала
Температура плавления,  oС ~ 2800
Диапазон рабочих температур, oС -140 - + 2400
Коэфициент темп. расширения, град-1 10 – 11*10-6
Теплопроводность, Вт/м*К 7,8
Плотность, кг/м3 6,06 – 6,08
Предел прочности на изгиб, МПа 800 - 1200
Предел прочности на сжатие, МПа 2300 - 3700
Микротвердость, ГПа   11,8 – 15,08
Модуль упругости, ГПа 180 - 372
Коэффициент Пуассона 0,26 – 0,36
Предельная относительная деформация при изгибе 0,07 – 0,45*10-2
Трещиностойкость, МПа*м 0,5    6-15
Интенсивность изнашивания 2,5 – 3*10-9
Коэфициент трения  0,27 – 0,34

Другие достоинства - высокая стойкость к абразивному износу;
- химическая стойкость к агрессивным средам (кислотам, щелочам, расплавам металлов, окислительной атмосфере при повышенных температурах);
-  биоэнертность;
-  рентгеноконтрастность;
-  сохранение механических свойств в широком температурном интервале (-140 – 2400 oС);
- при низких температурах хороший диэлектрик: 20oС – 2,2*1010 ом.м
- при высоких температурах – йонный проводник (1000 oС - ~10-2 ом.м)