Napredna žilavost za industrijske primjene

Zirconia toughened alumina (ZTA) keramičke komponente kombinuju tvrdoću i snagu glinice sa vrhunskom otpornošću na lom cirkonija da bi pružile performanse i dugovečnost za industrijsku upotrebu.

Naprezanjem izazvana transformacija finih tetragonalnih cirkonskih čestica ugrađenih u matricu od aluminijevog oksida dovodi do ZTA materijala vrhunske snage i žilavosti, pogodan za upotrebu u raznim teškim okruženjima.

Čvrstoća

ZTA materijali kombinuju tvrdoću glinice sa čvrstoćom cirkonija za neuporedivu otpornost na habanje i abraziju. Ovaj efekat je moguć kroz očvršćavanje transformacije izazvano stresom: kada je pod stresom, čestice cirkonija prelaze iz svoje metastabilne tetragonalne faze u stabilan monoklinski oblik; proširenje volumena uzrokovano ovom strukturnom promjenom pomaže zatvoriti sve pukotine unutar matrice glinice i značajno povećava žilavost.

ZTA sadrži cirkonijeve pločice koje stvaraju jezgru u matrici aluminijuma tokom sinterovanja, poboljšanje žilavosti i čvrstoće loma uz povećanje žilavosti loma, stvarajući materijal sa većom čvrstoćom na savijanje od Y-TZP-a i dvostruko većom čvrstoćom na ciklički zamor. Ova kombinacija žilavosti glinice u kombinaciji sa čvrstoćom cirkonija čini ZTA odličnim izborom materijala za industrijsku primjenu koja zahtijeva otpornost na oštećenja.

Trajnost

Zirconia toughened alumina (ZTA) ima izvanrednu čvrstoću na savijanje i pritisak, sa niskim termičkim širenjem ekvivalentnim onoj od glinice i izvanrednim svojstvima otpornosti na habanje.

Ojačana glinica sa cirkonijumom nastaje dodavanjem tetragonalnih zrnaca cirkonija putem transformacije izazvane naprezanjem u tvrdu matricu aluminijuma, ugrađujući ih u svoju strukturu dok ograničava njihovu transformaciju na lokalna područja umjesto da se šire po cijelom.

Ovaj mehanizam čini kompozite aluminij-cirkonija daleko izdržljivijima od monolitnog cirkonija zbog njihove otpornosti na apsorpciju vode kroz hemisorpciju; monolitni cirkonij može apsorbirati polarne molekule vode što dovodi do degradacije na niskim temperaturama i konačnog raspada nakon dugotrajne upotrebe.

ZTA, s druge strane, je posebno dizajniran da olakša ovu tetragonalnu u monoklinsku transformaciju kroz strukturne karakteristike i hemijske aditive. CeramTec prodaje Biolox Delta ZTA kao primjer; ova formulacija sadrži itrij i stroncijum aluminat kako bi se olakšali mehanizmi očvršćavanja unutar svoje cirkonijeve faze i posljedično ima manji rizik od degradacije na niskim temperaturama dok izdržava okruženje visoke temperature.

Otpornost na koroziju

ZTA keramika nudi superiornu otpornost na koroziju u odnosu na svoje kolege od aluminijuma i stoga se može koristiti u opremi koja je podložna teškim okruženjima. Nadalje, ZTA može izdržati više temperature uz veću hemijsku stabilnost.

Garvie et al (1975) pokazao da dodavanje 10-20% nestabilizirani cirkonij može uvelike povećati žilavost u odnosu na aluminij, kroz pooštravanje transformacije. Ovaj proces se događa kada se fino dispergirani tetragonalni metastabilni precipitati mijenjaju u monoklinski cirkonij pod naprezanjem uzrokujući ekspanziju volumena koja sabija pukotine i usporava ili zaustavlja njihovo širenje.

Ovaj mehanizam je sličan mehanizmu naprezanja izazvanih deformacijom; međutim, da bi došlo do faznih promjena polje naprezanja mora biti dovoljno veliko; za pukotine u uzorcima ZTA ova energija dolazi od napona savijanja na mjestima loma.

Otpornost na toplotu

Zirconia toughened alumina ima izuzetno visoku tačku topljenja i otpornost na koroziju, što ga čini idealnim materijalom za opremu koja je često izložena visokim temperaturama. Nadalje, ova varijanta ima veću otpornost na trenje od standardne glinice, pomaže u smanjenju habanja opreme izložene višim nivoima kinetičke energije.

ZTA keramika je stvorena transformacijom tetragonalnih cirkonijumovih čestica izazvanom naprezanjem u matricu aluminijuma, stvarajući unutar njih tlačna naprezanja koja sprječavaju širenje pukotina, povećava i snagu i žilavost, istovremeno pružajući otpornost na termički udar bez loma ili pucanja. Odlikuju se odličnom otpornošću na termalni udar; otpornost na brze promjene temperature bez loma ili pucanja pod stresom.

Aluminijum ojačan cirkonijumom ima mnogo upotreba u više industrija zbog svog ogromnog skupa svojstava. Mašinstvo ga koristi za komponente pumpe i zaptivke; obrada poluvodiča ga koristi zbog njegove termičke stabilnosti i čvrstoće; vazduhoplovstvo, automobilska i energetska industrija ga koriste kao dijelove motora zbog njegove otpornosti na koroziju i jake kemikalije; može čak izdržati i visoku čvrstoću na savijanje za zubne implantate!