Zirkonem tvrzený oxid hlinitý

Zirkoniový tvrzený oxid hlinitý (ZTA) je pokročilý keramický materiál široce používaný v těsnění ventilů, průchodky, komponenty čerpadel a řezné nástroje díky své pevnosti a chemické stabilitě – o čemž svědčí jeho schopnost odolat velkému zatížení bez výrazné degradace.

ZTA se může pochlubit působivou odolností proti tepelným šokům a dokáže odolat náhlým změnám teplotních změn, stejně jako rychlé výkyvy teplot. Čtěte dále a dozvíte se více o jeho mechanických vlastnostech!

Tvrdost

Oxid zirkoničitý přidaný do matrice oxidu hlinitého zvyšuje její tvrdost, lomová houževnatost a pevnost v ohybu při zvýšení odolnosti proti opotřebení a erozi. Mechanismus typicky zapojený je fázová transformace následovaná tvorbou mikrotrhlin, ale může také zahrnovat teorie teorie napětí, jak je aplikovatelné.

Metastabilní tetragonální precipitáty oxidu zirkoničitého, které tvoří jemnou disperzi v matrici oxidu hlinitého, mohou podléhat spontánní přeměně na monoklinické formy, když se jejich omezení během šíření trhliny zruší, poskytování energie proti napěťovým polím, které pohánějí šíření trhlin.

Keramika ZTA má vynikající lomovou houževnatost a tvrdost ve srovnání s jinou inženýrskou keramikou na bázi oxidu, stejně jako dvojnásobnou cyklickou únavovou pevnost Y-TZP. Jako takový, svými vlastnostmi je vhodný pro aplikace vyžadující extrémní odolnost proti opotřebení, chemická inertnost a nízké tření, stejně jako vysoká pevnost a tuhost.

Pevnost v ohybu

Keramiku ZTA lze vyrobit změnou poměru oxidu zirkoničitého stabilizovaného yttriem (Y-TZP) v matrici oxidu hlinitého za použití izostatického lisování za tepla, optimalizovat kombinace tvrdosti, lomové houževnatosti a pevnosti v ohybu, které vedou k bezkonkurenční odolnosti proti cyklické únavě, která překonává nejpokročilejší technickou keramiku.

Metastabilní Y-TZP v matrici oxidu hlinitého vede k tvorbě tetragonálně-monoklinických transformačních fázových aglomerátů, které zvyšují lomovou houževnatost prostřednictvím ztužování fázovou transformací (Clausen 1976). Přednostně křížení trhlin, tyto přechodové aglomeráty stlačí zónu před čelem trhliny a sníží její postup, v konečném důsledku zvýšení lomové houževnatosti.

Tato struktura materiálu vedla k vytvoření kompozitů oxidu hlinitého a zirkonu, jako je BIOLOX Delta, široce používán pro totální náhrady kyčelního kloubu a další nosné ortopedické komponenty. Tento keramický biomateriál se vyznačuje vynikající odolností proti opotřebení, chemická inertnost při pokojové teplotě, odolnost proti tepelným šokům a vynikající chemická inertnost při všech teplotách.

Odolnost proti korozi

Chemicky inertní a odolný vůči vysokým teplotám a opotřebení, poskytuje vynikající výkon ve srovnání s 99 aluminová keramika a je také cenově výhodnější.

Zirkonie se také může pochlubit působivou pevností v tahu, ohybové a elastické vlastnosti a biokompatibilita – takže je ideální pro lékařské použití, jako jsou náhrady kyčelního kloubu. Díky transformačnímu zpevnění za namáhání, částice oxidu zirkoničitého se mění z metastabilní tetragonální formy na monoklinickou formu, pomáhá efektivněji uzavírat trhliny a zároveň zvyšuje lomovou houževnatost.

CeramTec (Biolox Delta) komercializuje kompozit z oxidu hlinitého a zirkoničitého, kde nestabilizovaný oxid zirkoničitý zůstává v tetragonální fázi, aby zvládl tuto transformaci a zajistil otupení špičky trhliny a odchylku od trhliny, zlepšení houževnatosti matrice oxidu hlinitého. Obsah oxidu zirkoničitého v materiálu lze změnit pomocí technik přípravy prášku a zhušťování.

Odolnost proti tepelným šokům

Oxid zirkoničitý přidaný do primární matrice oxidu hlinitého během slinování může výrazně zvýšit její pevnost a houževnatost, vytvoření toho, co je známé jako ZTA (Zirkonem tvrzený oxid hlinitý), překonává běžnou keramiku z oxidu hlinitého v mechanických i otěrových aplikacích.

Oxid hlinitý tvrzený oxidem zirkoničitým je známý svými výjimečnými vlastnostmi, jako je vysoká tvrdost za tepla a odolnost proti přetržení, chemická inertnost při pokojové teplotě, nízké míry tepelné roztažnosti a vynikající odolnost proti tepelným šokům – ideální vlastnosti pro frézování součástí i opotřebitelných dílů vyžadujících chladicí mechanismy.

CeramTec uvádí na trh ZTA s názvem Biolox delta, který obsahuje matrici oxidu hlinitého s rozptýlenými částicemi Y-TZP (17 hmotnost/hmot. %) a destičky hlinitanu strontnatého (0.5 hmotnost/hmot. %), poskytující účinnou kombinaci mechanismů tetragonální-monoklinické fáze transformace a mechanismů vychylování trhlin pro zajištění zlepšené houževnatosti, díky tomu je ideální pro primární THA procedury na femorálních nosných plochách.

Elektrická izolace

Oxid hlinitý tvrzený oxidem zirkoničitým vydrží tepelný šok, aniž by při náhlých změnách teploty praskl nebo se zlomil, díky rozptýleným částicím oxidu hlinitého rozptýleným v jeho matrici, které absorbují tepelnou energii a vytvářejí tlaková napětí, která zabraňují zlomeninám.

Keramika z oxidu hlinitého a zirkonu je hustší než její protějšek z čistého zirkonu, takže je ideální pro aplikace elektrické izolace. Dále, díky nižší tepelné roztažnosti než oxid zirkoničitý je vhodný pro díly vyžadující chlazení.

Transformační zpevnění kompozitů Alumina-Zirconia nabízí další výhody; zde, zirconia grains in an alumina matrix undergo a metastable phase where their grains undergo transformation from tetragonal to monoclinic structures, thus decreasing stress-induced cracking by increasing resistance against abrasion and impact. Alumina toughened zirconia typically occurs through pyrophoric reaction involving Zirconium(IV) oxide octahydrate, Aluminium Nitrate Nanohydrate Triethylamine and HNO3(Nitric Acid); increasing particle sizes further aid dispersion of metastable zirconia grains.