أكسيد الزركونيوم وأكسيد الألومنيوم معًا ينتج عنه أكسيد الزركونيا المقوى (ZTA), مادة استثنائية في العديد من التطبيقات. الخصائص الميكانيكية, قوة, صلابة الكسر, مرونة, تحظى الصلابة ومقاومة التآكل بتقدير كبير في هذه المادة الخزفية المركبة التي تنتمي إلى فئة مركبات AZ. أصبحت ZTA الخيار المفضل للقوة الميكانيكية العالية, المقاومة الحرارية ومقاومة التآكل.
فك التركيب والهيكل
من بين أمور أخرى, تتكون الألومينا المقوية من زركونيا من حبيبات الزركونيا المنتشرة بشكل موحد داخل مصفوفة الألومينا. عادة, وهذا يشمل 10-20% حجم ZrO2 في الألومينا. اعتمادا على نسبهم, تساهم الخلائط المكونة في صناعة السيراميك بميزات محددة اعتمادًا على تطبيق معين.
كتل البناء: الألومينا والزركونيا
المكونات الرئيسية التي يتم خلطها لتكوين ZTA هي الألومينا والزركونيا. علاوة على ذلك, تستخدم زراعة العظام هذه المادة الخزفية المعروفة باسم أكسيد الألومنيوم (Al2O3) في التاريخ بسبب توافقه الحيوي الجيد بالإضافة إلى قوته الميكانيكية الكبيرة ومقاومته للكسر.
من الخصائص البارزة الأخرى للزركونيا انخفاض معدلات التآكل بالإضافة إلى الاستقرار الكيميائي الجيد والقوة الميكانيكية العالية. معامل يونغ الخاص به هو بنفس الترتيب مع سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ.
كيف يتم صنعها
إنتاج ZTA يعني إنشاء حبيبات زركونيا رباعية الطور موزعة بشكل موحد في جميع أنحاء مصفوفة الألومينا. يمكن أن يؤدي تركيز إجهاد طرف الكراك إلى تغيير البنية البلورية رباعية الزوايا إلى بنية أحادية الميل مما يؤدي إلى زيادة مرتبطة في حجم الزركونيا. يؤدي هذا التوسع في الحجم إلى عكس أو إيقاف نمو التشققات بشكل فعال مما يؤدي إلى زيادة الصلابة والقوة.
الخواص الميكانيكية للسيراميك ZrO2-Al2O3
هناك نطاق واسع من الخواص الميكانيكية التي تعرضها ZTA بما في ذلك الصلابة الفائقة مقارنة بالألومنيوم التقليدي ذي قيم الكثافة المماثلة, قوة انثناء أعلى من الألومينا التقليدية ومعامل تمدد حراري خطي أقل من الزركونيا التقليدية (CLTE).
تتميز ألومينا الزركونيا المقوية بقوة ميكانيكية عالية ومقاومة للحرارة وبالتالي لا تتآكل. فيما يلي بعض خصائص ZTA:
قيمة العقار
الصيغة الكيميائية Zr-Al2O3
كثافة 4.1-4.38 جم/سم^3
صلابة 1750-2100 زر
مرونة 45-49 × 10^6 رطل لكل بوصة مربعة
قوة الانثناء 100-145 ksi
نسبة بواسون 0.26
صلابة الكسر 5-7 ميجا باسكال م ^ 1/2
معامل التمدد الحراري 8.0-8.1 × 10^-6 1/ج
الموصلية الحرارية 20.0-21.0 ث/م ك
مقاومة الصدمات 325 درجة مئوية
أقصى درجة حرارة العمل 1650 درجة مئوية
تطبيقات السيراميك ZrO2-Al2O3
يتم استخدام ألومينا الزركونيا المقوية في تطبيقات مختلفة مثل تلك التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للتآكل. وتشمل هذه أختام الصمام, الأكمام, بيستونز المضخة, فوهات الرش والأجزاء الصناعية الأخرى.
التوافق الحيوي لـ ZTA
في دراسات مختلفة, تم الإبلاغ عن أن ZTA لا ينتج أي تفاعل أنسجة معاكس عند الزرع، مما يجعله مرشحًا جيدًا للمكونات الحاملة للعظام.. فضلاً عن ذلك, الصلابة, المتانة والقوة التي تظهرها سيراميك الزركونيا والألومينا تجعلها مناسبة للمكونات الحاملة للعظام.
ZTA في جراحة مفاصل الورك
كانت هناك مداولات كبيرة حول السيراميك مثل الألومينا, زركونيا وزركونيا تشديد الألومينا (ZTA) كمواد مناسبة في جراحة مفاصل الورك . تم تحقيق مزايا ZTA هذه دون الحاجة إلى دمج العيوب المرتبطة بالزركونيا المستقرة بالإيتريا والتي تظهر خواص ميكانيكية عالية أو الألومينا مع خمولها العالي.
ZTA في جراحة مفاصل الركبة
في الغالب, تصميمات زراعة السيراميك لتقويم مفاصل الركبة بالكامل (TKA) تم تطويرها لمعالجة مشكلة الحساسية التي قد تحدث لدى المرضى عندما تطلق مكونات سبائك التيتانيوم أو الكوبالت والكروم الحديثة جزيئات التآكل. زركونيا تشديد الألومينا (ZTA) يعتبر Matrix Composite مادة حيوية متطورة لمثل هذه التطبيقات.
ZTA: المستقبل الواعد
يتضمن ذلك البحث المستمر بالإضافة إلى التطوير حول طرق تحسين سمات ZTA واستخداماتها المحتملة. تم تصميم ألومينا مقوية أخرى من الزركونيا المعالجة على دفعات بخصائص ميكانيكية من حيث قوة الانحناء أقل بكثير من تلك المتوفرة تجاريًا من Biolox® Delta. آخر, مثل مركبات سيراميك نيتريد السيليكون التي تم إدخالها مؤخرًا في تقويم مفاصل الورك تظهر أيضًا قوة أعلى من الألومينا. المستقبل مشرق لشركة ZTA مع العديد من التطبيقات والخصائص المتفوقة. لذلك, مع التكنولوجيا المتطورة, ومن المتوقع أن تكون ZTA هي الأساس لمفاهيم جديدة على جبهات مختلفة وخاصة في الطب الحيوي.