Cirkonijum oksid i aluminijum oksid zajedno daju cirkonijum ojačanu glinicu (ZTA), izuzetan materijal za mnoge primjene. Mehanička svojstva, snagu, otpornost na lom, elastičnost, tvrdoća i otpornost na habanje su visoko cijenjeni u ovom kompozitnom keramičkom materijalu koji pripada klasi AZ kompozita. ZTA je postao poželjan izbor za visoku mehaničku čvrstoću, toplinska otpornost i otpornost na koroziju.
Dekodiranje kompozicije i strukture
Između ostalog, Ojačana glinica sa cirkonijumom sastoji se od zrnaca cirkonijuma koji su jednolično dispergovani unutar matriksa aluminijuma. Normalno, ovo uključuje 10-20% zapremina ZrO2 u glinici. U zavisnosti od njihovih proporcija, mješavine sastojaka doprinose keramici sa specifičnim karakteristikama ovisno o određenoj primjeni.
Building Blocks: Aluminijum i cirkonijum
Glavne komponente koje se miješaju u ZTA su glinica i cirkonijum. Štaviše, ortopedski implantati koriste ovaj keramički materijal poznat kao aluminijum oksid (Al2O3) u istoriji zbog svoje dobre biokompatibilnosti, kao i velike mehaničke čvrstoće i otpornosti na lom.
Još jedno izvanredno svojstvo cirkonija je njegova niska stopa korozije, kao i dobra hemijska stabilnost i visoka mehanička čvrstoća. Njegov Youngov modul je istog reda veličine kao i legure nehrđajućeg čelika.
Kako se pravi
Proizvodnja ZTA znači stvaranje zrna cirkonija u tetragonalnoj fazi ravnomjerno raspoređenih kroz matricu glinice. Koncentracija naprezanja na vrhu pukotine može promijeniti tetragonalnu kristalnu strukturu u monokliničku, što dovodi do povezanog povećanja volumena cirkonija. Takvo proširenje volumena efektivno preokreće ili zaustavlja rast pukotina što dovodi do veće žilavosti i čvrstoće.
Mehanička svojstva ZrO2-Al2O3 keramike
Postoji širok raspon mehaničkih svojstava koje pokazuje ZTA, uključujući superiornu tvrdoću od konvencionalnih glinica sa sličnim vrijednostima gustoće, veća čvrstoća na savijanje od konvencionalne glinice i niži koeficijent linearnog termičkog širenja od konvencionalnog cirkonija (CLTE).
Zirconia toughened alumina ima visoku mehaničku čvrstoću i termički je otporan pa ne korodira. Ispod su neke od ZTA-ovih nekretnina:
Vrijednost imovine
Hemijska formula Zr-Al2O3
Gustina 4.1-4.38 g/cm^3
Tvrdoća 1750-2100 Dugme
Elastičnost 45-49 x 10^6 psi
Snaga pri savijanju 100-145 ksi
Poissonov omjer 0.26
Čvrstoća loma 5-7 MPa m^1/2
Koeficijent toplinske ekspanzije 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Toplotna provodljivost 20.0-21.0 W/mK
Otpornost na udarce 325 °C
Maksimalna radna temperatura 1650 °C
Primjena ZrO2-Al2O3 keramike
Zirconia toughened alumina se koristi u različitim aplikacijama kao što su one koje zahtijevaju visoku čvrstoću i otpornost na habanje. To uključuje zaptivke ventila, rukavima, klipovi pumpe, mlaznice za prskanje i drugi industrijski dijelovi.
Biokompatibilnost ZTA
U raznim studijama, Prijavljeno je da ZTA ne izaziva neželjene reakcije tkiva nakon implantacije, što ga čini dobrim kandidatom za ortopedske komponente koje nose opterećenje.. Osim toga, tvrdoća, žilavost i čvrstoća koju pokazuje cirkonijum-aluminijum keramika čini ih pogodnim za ortopedske nosive komponente.
ZTA u artroplastici kuka
Bilo je značajnih razmatranja o keramici poput glinice, cirkonija i cirkonijumom ojačane glinice (ZTA) kao prikladan materijal u artroplastici kuka . Ove prednosti ZTA postignute su bez uključivanja nedostataka povezanih sa itrijem stabiliziranim cirkonijumom koji pokazuje visoka mehanička svojstva ili aluminijem sa svojom visokom inertnošću.
ZTA u artroplastici koljena
Uglavnom, dizajn keramičkih implantata za totalnu artroplastiku koljena (TKA) razvijeni su za rješavanje problema alergijskih reakcija koje se mogu javiti kod pacijenata kada moderne komponente legure titana ili kobalt-kroma ispuštaju čestice habanja. Zirconia toughened alumina (ZTA) Matrix Composite je vrhunski biomaterijal za takve primjene.
ZTA: Obećavajuća budućnost
Ovo uključuje kontinuirano istraživanje kao i razvoj načina za poboljšanje atributa ZTA i njegove potencijalne upotrebe. Još jedna serijski obrađena ojačana glinica sa cirkonijumom je dizajnirana sa mehaničkim svojstvima u smislu čvrstoće na savijanje znatno manjom od onih iz komercijalno dostupnog Biolox® Delta. Drugi, kao što su keramički kompoziti od silicijum nitrida koji su nedavno uvedeni u artroplastiku kuka takođe pokazuju veću čvrstoću od aluminijuma. Budućnost je svetla za ZTA sa mnogim primenama i vrhunskim svojstvima. Stoga, sa tehnologijom koja se razvija, očekuje se da će ZTA biti osnova za nove koncepte na različitim frontovima, posebno u biomedicini.