Etude sur la préparation et les propriétés mécaniques des céramiques violettes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8755 (2023) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 27 juillet 2023.

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Cet article vise à préparer une céramique violette portable intelligente qui répond aux exigences de couleur des vêtements intelligents violets sur le marché après avoir utilisé du néodyme zirconate comme agent chromogène. Cependant, les performances mécaniques de la céramique violette néodyme zirconate ne sont pas satisfaisantes, en particulier sa ténacité à la rupture est extrêmement faible. Pour résoudre ce problème, une zircone stabilisée à l'yttrium à 3 % en moles (3YSZ) est ajoutée au zirconate de néodyme dans la préparation de céramiques multiphasées pour améliorer ses propriétés mécaniques. Dans cette expérience, une série d'échantillons de céramique additionnés d'une quantité croissante de 3YSZ 0, 20, 40, 50, 60, 70 et 80 % ont été préparés dans la plage de températures de frittage de 1 400 à 1 500 °C. Il a été constaté qu'à la même température, les propriétés mécaniques des échantillons de céramique s'amélioraient progressivement avec l'augmentation de la teneur en 3YSZ. De plus, à teneur identique, les propriétés mécaniques des échantillons de céramique se sont progressivement améliorées avec la diminution de la température. Les résultats montrent que lorsque le 3YSZ a une fraction massique de 80 % et est fritté à 1 400 °C, la ténacité des échantillons de céramique préparés atteint 8,15 MPa‧m1/2, soit près de deux fois supérieure à celle du zirconate de néodyme monolithique. 2,57 MPa‧m1/2. La dureté Vickers des échantillons de céramique préparés a atteint 12,93 GPa, soit près de 88 % de plus que celle du zirconate de néodyme non dopé. Cela indique que les échantillons peuvent être appliqués à des appareils portables intelligents, tels que les fonds de panier de téléphones portables, avec une certaine importance pratique pour le durcissement technique des céramiques de zirconate.

Les céramiques colorées sont largement utilisées dans diverses industries avec le développement rapide de la science et des technologies de l’information. Étant donné que les céramiques colorées sont de couleur vive, ont une bonne texture métallique et présentent principalement de faibles caractéristiques d'interférence de signal, elles ont commencé à être de plus en plus utilisées dans les appareils portables intelligents tels que les fonds de panier de téléphones portables, les bagues de montre et autres. Cependant, la fragilité est une faiblesse majeure de ces céramiques, notamment des céramiques néodyme-zirconate ; par conséquent, l’amélioration des propriétés mécaniques, en particulier la ténacité de la céramique, est devenue une priorité absolue. Matsumura et al.1 ont préparé un matériau céramique La2Zr2O7 en utilisant la méthode à l'hydenzine et ont mesuré que sa ténacité à la rupture et sa résistance à la flexion atteignaient respectivement 1,9 MPam1/2 et 172 MPa. Lee et al.2 ont ajouté de l'oxyde d'yttrium au zirconate de gadolinium pour préparer des céramiques composites et ont constaté que la dureté Vickers augmentait de 6 à 10 GPa. Yu Zhang et al.3 ont dopé la zircone stabilisée à l'oxyde d'ytterbium avec du zirconate de gadolinium, ce qui a permis d'améliorer considérablement la ténacité du matériau.

La zircone a les caractéristiques de durcissement par changement de phase ; le changement de phase martensitique est donc l'une de ses caractéristiques majeures. Par conséquent, il est couramment utilisé pour améliorer la ténacité des matériaux céramiques4. La zircone a été largement étudiée et la recherche sur les céramiques à base de zircone reste un point chaud. Les céramiques de zircone sont de plus en plus utilisées dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'électronique, de la métallurgie et des communications, entre autres industries5. Le dioxyde d'yttrium est ajouté à la plupart des zircones. En particulier, 6 à 8 % en moles de Y2O3 sont ajoutés à la zircone pour obtenir une phase cubique, et 3 à 6 % en moles d'yttrium sont ajoutés à la zircone pour obtenir une zircone partiellement stabilisée. Une zircone totalement stable a une conductivité ionique élevée, et une zircone partiellement stabilisée possède d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante et à haute température6.

De nombreux métaux de transition n’ont pas qu’un seul état de valence dans le composé mais coexistent également dans plusieurs états de valence. Fujimori7 a appelé ce phénomène la théorie de l’état de valence mixte. Cela est dû à l’existence de défauts ponctuels dans le cristal, ce qui lui confère des propriétés magnétiques, optiques et électriques particulières. Jusqu’à présent, il existe sur le marché des céramiques à base de zircone rouge, préparées en ajoutant du trioxyde de fer à la zircone pour produire la couleur rouge8. Les céramiques violettes sont préparées en ajoutant de l'oxyde de néodyme ou du zirconate de néodyme à la zircone9. Les céramiques bleu ciel sont préparées en ajoutant de l'oxyde de nickel et de l'oxyde d'alumine à la zircone10. Les céramiques vertes sont préparées en ajoutant une certaine quantité d'oxyde de nickel, d'oxyde d'alumine, d'oxyde de chrome et d'oxyde de silicium à la zircone11. Les céramiques colorées préparées sur ces marchés ont un large éventail d'applications, principalement dans la décoration et les objets connectés, tels que les fonds de panier de téléphones portables, les bagues de montre, etc.12,13.