Zirconiumoxid og aluminiumoxid tilsammen giver Zirconia Toughened Alumina (ZTA), et enestående materiale til mange anvendelser. Mekaniske egenskaber, styrke, brudsejhed, elasticitet, hårdhed og slidstyrke er højt værdsat i dette kompositkeramiske materiale, som tilhører klassen af AZ-kompositter. ZTA er blevet det foretrukne valg for høj mekanisk styrke, termisk modstand og korrosionsbestandighed.
Afkodning af sammensætning og struktur
Blandt andet, Zirconia Toughened Alumina består af zirconia korn fordelt ensartet i en aluminiumoxid matrix. Normalt, dette omfatter 10-20% volumen af ZrO2 i aluminiumoxid. Afhængig af deres proportioner, komponentblandinger bidrager til keramik med specifikke egenskaber afhængigt af en bestemt anvendelse.
Byggeklodser: Alumina og zirconia
Hovedkomponenterne, der blandes for at danne ZTA, er aluminiumoxid og zirconiumoxid. Desuden, ortopædiske implantater har brugt dette keramiske materiale kendt som aluminiumoxid (Al2O3) i historien på grund af dens gode biokompatibilitet samt dens store mekaniske styrke og brudmodstand.
En anden fremragende egenskab ved zirconia er dens lave korrosionshastighed samt gode kemiske stabilitet og høje mekaniske styrke. Dens Youngs modul er i samme størrelsesorden med rustfri stållegeringer.
Hvordan det er lavet
At producere ZTA betyder at skabe tetragonal-fase zirkoniumoxidkorn ensartet fordelt gennem en aluminiumoxidmatrix. En revnespidsspændingskoncentration kan ændre en tetragonal krystalstruktur til en monoklinisk og derved føre til en associeret stigning i volumen af zirconia. En sådan volumenudvidelse reverserer eller stopper effektivt væksten af revner, hvilket fører til større sejhed og styrke.
Mekaniske egenskaber af ZrO2-Al2O3-keramik
Der er en bred vifte af mekaniske egenskaber udstillet af ZTA, herunder overlegen hårdhed end konventionelle aluminiumoxider med lignende densitetsværdier, højere bøjningsstyrke end konventionelle aluminiumoxider og lavere end konventionelle zirconia-koefficienter for lineære termiske udvidelser (CLTE).
Zirconia Toughened Alumina har høj mekanisk styrke og er termisk modstandsdygtig, så den korroderer ikke. Nedenfor er nogle af ZTAs egenskaber:
Ejendomsværdi
Kemisk formel Zr-Al2O3
Tæthed 4.1-4.38 g/cm^3
Hårdhed 1750-2100 Knap
Elasticitet 45-49 x 10^6 psi
Bøjningsstyrke 100-145 ksi
Poissons forhold 0.26
Brudsejhed 5-7 MPa m^1/2
Termisk udvidelseskoefficient 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Termisk ledningsevne 20.0-21.0 W/mK
Stødmodstand 325 °C
Maksimal arbejdstemperatur 1650 °C
Anvendelser af ZrO2-Al2O3 Keramik
Zirconia Toughened Alumina bruges i forskellige applikationer, såsom dem, der kræver høj styrke og slidstyrke. Disse omfatter ventiltætninger, ærmer, pumpestempler, sprøjtedyser og andre industrielle dele.
Biokompatibilitet af ZTA
I forskellige undersøgelser, Det er blevet rapporteret, at ZTA ikke fremkalder nogen negativ vævsreaktion ved implantation, hvilket gør det til en god kandidat til ortopædiske belastningsbærende komponenter. Desuden, hårdheden, sejhed og styrke udvist af zirconia-aluminiumoxid keramik gør dem egnede til ortopædiske bærende komponenter.
ZTA i hofteproteser
Der har været betydelige overvejelser om keramik som aluminiumoxid, zirconia og zirconia hærdet aluminiumoxid (ZTA) som egnede materialer i hofteproteser . Disse fordele ved ZTA blev opnået uden at skulle inkorporere ulemperne forbundet med yttria-stabiliseret zirconia, der udviser høje mekaniske egenskaber eller aluminiumoxid med sin høje inerthed.
ZTA i knæarthroplastik
For det meste, keramiske implantatdesign til total knæarthroplastik (TKA) er udviklet for at håndtere spørgsmålet om allergiske reaktioner, der kan opstå hos patienter, når moderne titanium- eller kobolt-kromlegeringskomponenter frigiver slidpartikler. Zirconia hærdet aluminiumoxid (ZTA) Matrix Composite er et banebrydende biomateriale til sådanne applikationer.
ZTA: Den lovende fremtid
Dette involverer kontinuerlig forskning samt udvikling af måder, der forbedrer ZTAs egenskaber og dets potentielle anvendelser. En anden batchforarbejdet Zirconia Toughened Alumina er blevet designet med mekaniske egenskaber i form af bøjningsstyrke væsentligt mindre end dem fra kommercielt tilgængelige Biolox® Delta. En anden, såsom siliciumnitrid keramiske kompositter, der for nylig blev introduceret i hoftearthroplastik, udviser også højere styrke end aluminiumoxid. Fremtiden er lys for ZTA med mange anvendelser og overlegne egenskaber. Derfor, med teknologi i udvikling, det forventes, at ZTA vil være grundlaget for nye koncepter på forskellige fronter især inden for biomedicin.