Oxid zirkoničitý a oxid hlinitý dohromady poskytují oxid zirkoničitý tvrzený oxid hlinitý (ZTA), výjimečný materiál v mnoha aplikacích. Mechanické vlastnosti, pevnost, lomová houževnatost, pružnost, u tohoto kompozitního keramického materiálu, který patří do třídy AZ kompozitů, je vysoce ceněna tvrdost a odolnost proti opotřebení. ZTA se stala preferovanou volbou pro vysokou mechanickou pevnost, tepelná odolnost a odolnost proti korozi.
Dekódování složení a struktury
Mimo jiné, Zirkoniový tvrzený oxid hlinitý se skládá ze zirkoniových zrn rovnoměrně rozptýlených v matrici oxidu hlinitého. Normálně, to zahrnuje 10-20% objem ZrO2 v oxidu hlinitém. Podle jejich proporcí, směsi složek přispívají ke keramice se specifickými vlastnostmi v závislosti na konkrétní aplikaci.
Stavební bloky: Oxid hlinitý a oxid zirkoničitý
Hlavní složky, které jsou smíchány za vzniku ZTA, jsou oxid hlinitý a oxid zirkoničitý. Navíc, ortopedické implantáty využívají tento keramický materiál známý jako oxid hlinitý (Al2O3) v historii díky své dobré biokompatibilitě a také velké mechanické pevnosti a odolnosti proti lomu.
Další vynikající vlastností oxidu zirkoničitého je jeho nízká míra koroze, stejně jako dobrá chemická stabilita a vysoká mechanická pevnost. Jeho Youngův modul je ve stejné velikosti jako u slitin nerezové oceli.
Jak se vyrábí
Produkovat ZTA znamená vytvořit tetragonální zrna zirkonu rovnoměrně rozložená v matrici oxidu hlinitého. Koncentrace napětí ve špičce trhliny může změnit tetragonální krystalovou strukturu na monoklinickou, což vede k souvisejícímu zvýšení objemu oxidu zirkoničitého.. Taková objemová expanze účinně obrátí nebo zastaví růst trhliny, což vede k větší houževnatosti a pevnosti.
Mechanické vlastnosti keramiky ZrO2-Al2O3
ZTA vykazuje širokou škálu mechanických vlastností, včetně vynikající tvrdosti než konvenční aluminy s podobnými hodnotami hustoty, vyšší pevnost v ohybu než konvenční aluminy a nižší než konvenční zirkonie koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE).
Zirkonový tvrzený oxid hlinitý má vysokou mechanickou pevnost a je tepelně odolný, a proto nekoroduje. Níže jsou uvedeny některé vlastnosti ZTA:
Hodnota nemovitosti
Chemický vzorec Zr-Al2O3
Hustota 4.1-4.38 g/cm^3
Tvrdost 1750-2100 Tlačítko
Pružnost 45-49 x 10^6 psi
Síla ohybu 100-145 ksi
Poissonův poměr 0.26
Lomová houževnatost 5-7 MPa m^1/2
Koeficient tepelné roztažnosti 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Tepelná vodivost 20.0-21.0 W/mK
Odolnost proti otřesům 325 °C
Maximální pracovní teplota 1650 °C
Aplikace keramiky ZrO2-Al2O3
Zirkoniový tvrzený oxid hlinitý se používá v různých aplikacích, jako jsou ty, které vyžadují vysokou pevnost a odolnost proti opotřebení. Patří mezi ně těsnění ventilů, rukávy, písty čerpadla, stříkací trysky a další průmyslové díly.
Biokompatibilita ZTA
V různých studiích, Bylo hlášeno, že ZTA nevyvolává po implantaci žádné nepříznivé tkáňové reakce, takže je dobrým kandidátem pro ortopedické nosné komponenty. Navíc, tvrdost, houževnatost a pevnost vykazovaná zirkonovo-hlinitou keramikou je činí vhodnými pro ortopedické nosné součásti.
ZTA u endoprotézy kyčle
Došlo ke značným úvahám o keramice, jako je oxid hlinitý, oxid zirkoničitý a oxid hlinitý tvrzený zirkony (ZTA) jako vhodné materiály při endoprotézách kyčelního kloubu . Těchto výhod ZTA bylo dosaženo, aniž by bylo nutné zahrnout nevýhody spojené s oxidem zirkoničitým stabilizovaným yttriem, který vykazuje vysoké mechanické vlastnosti, nebo oxidem hlinitým s vysokou inertností..
ZTA u artroplastiky kolene
Většinou, návrhy keramických implantátů pro totální endoprotézu kolena (TKA) byly vyvinuty za účelem řešení problému alergických reakcí, které se mohou objevit u pacientů, když moderní komponenty titanu nebo slitiny kobaltu a chromu uvolňují částice opotřebení. Tvrzený oxid hlinitý zirkony (ZTA) Matrix Composite je špičkový biomateriál pro takové aplikace.
ZTA: Slibná budoucnost
To zahrnuje neustálý výzkum a vývoj způsobů, jak zlepšit vlastnosti ZTA a jeho potenciální využití. Další dávkově zpracovaný oxid zirkoničitý tvrzený oxid hlinitý byl navržen s mechanickými vlastnostmi, pokud jde o pevnost v ohybu, podstatně nižšími než u komerčně dostupného Biolox® Delta.. Další, jako jsou keramické kompozity z nitridu křemíku zavedené nedávno do endoprotézy kyčle, také vykazují vyšší pevnost než oxid hlinitý. Budoucnost je pro ZTA jasná s mnoha aplikacemi a vynikajícími vlastnostmi. Proto, s vyvíjející se technologií, očekává se, že ZTA bude základem pro nové koncepce na různých frontách, zejména v biomedicíně.