Zirconia hærdet aluminiumoxid
Zirconia hærdet aluminiumoxid (ZTA) er et avanceret keramisk materiale, der er meget udbredt i ventiltætninger, bøsninger, pumpekomponenter og skærende værktøjer på grund af dets styrke og kemiske stabilitet – som det fremgår af dens evne til at modstå tunge belastninger uden væsentlig nedbrydning.
ZTA kan prale af en imponerende termisk stødmodstand og kan modstå pludselige temperaturændringer, samt hurtige temperaturudsving. Læs videre for at lære mere om dens mekaniske egenskaber!
Hårdhed
Zirconia tilsat en aluminiumoxidmatrix øger dens hårdhed, brudsejhed og bøjningsstyrke, samtidig med at modstanden mod slid og erosion øges. Den typisk involverede mekanisme er fasetransformation efterfulgt af mikrorevnedannelse, men kan også involvere stressteoretiske teorier, alt efter hvad der er relevant.
Metastabile tetragonale zirconiumoxidpræcipitater, der danner fin dispersion i en aluminiumoxidmatrix, kan undergå spontan transformation til monokliniske former, når deres begrænsning ophæves under revneudbredelse, giver energi mod stressfelter, der driver sprækkeudbredelse.
ZTA keramik har overlegen brudsejhed og hårdhed sammenlignet med andre oxid-baserede tekniske keramik, samt den dobbelte cykliske træthedsstyrke af Y-TZP. Som sådan, dens egenskaber gør den velegnet til applikationer, der kræver ekstrem slidstyrke, kemisk inerthed og lav friktion samt høj styrke og stivhed.
Bøjestyrke
ZTA-keramik kan fremstilles ved at ændre forholdet mellem yttria-stabiliseret zirconia (Y-TZP) i en aluminiumoxidmatrix ved hjælp af varm isostatisk presning, at optimere kombinationer af hårdhed, brud sejhed og bøjningsstyrke, der resulterer i uovertruffen cyklisk træthedsmodstand, der overgår de fleste avancerede tekniske keramik.
Metastabil Y-TZP i en aluminiumoxidmatrix resulterer i dannelsen af tetragonale-monokliniske transformationsfaseagglomerater, som øger brudsejheden gennem fasetransformationsstivning (Claussen 1976). Fortrinsvis krydsende sprækker, disse overgangsagglomerater vil komprimere zonen foran revnefronten og reducere dens progression, i sidste ende øger brudsejheden.
Denne materialestruktur har ført til skabelsen af aluminiumoxid-zirconium-kompositter såsom BIOLOX Delta, anvendes i vid udstrækning til total hofteprotese og andre bærende ortopædiske komponenter. Dette keramiske biomateriale har enestående slidstyrke, kemisk inertitet ved stuetemperatur, termisk stødbestandighed og fremragende kemisk inertitet ved alle temperaturer.
Korrosionsbestandighed
Kemisk inert og modstandsdygtig over for høje temperaturer og slid, det giver overlegen ydeevne i forhold til 99 alumina keramik og er også mere omkostningseffektiv.
Zirconia har også en imponerende trækstyrke, bøjnings- og elasticitetsegenskaber og biokompatibilitet – hvilket gør den ideel til medicinsk brug som hofteudskiftninger. På grund af transformationshærdning under stressforhold, zirconia partikler ændres fra metastabil tetragonal form til monoklinisk form, hjælper med at lukke revner mere effektivt og øger brudsejheden.
CeramTec (Biolox Delta) kommercialiserer en alumina-zirconia-komposit, hvor ustabiliseret zirconia forbliver i tetragonal fase for at håndtere denne transformation og give revnespidser afstumpning og revneafvigelse, forbedring af sejheden af aluminiumoxidmatrix. Zirkoniumindholdet i materialet kan ændres gennem pulverforberedelse og fortætningsteknikker.
Termisk stødmodstand
Zirconia tilsat til en primær aluminiumoxidmatrix under sintring kan forbedre dens styrke og sejhed markant, at skabe det, der er kendt som ZTA (Zirconia hærdet aluminiumoxid), udkonkurrerende almindelig alumina keramik i både mekaniske og slid applikationer.
Zirconia hærdet aluminiumoxid er kendt for dets exceptionelle egenskaber såsom høj varm hårdhed og rapture styrke, kemisk inertitet ved stuetemperatur, lave termiske ekspansionshastigheder og fremragende termisk stødmodstand – ideelle egenskaber til fræsning af komponenter samt sliddele, der kræver kølemekanismer.
CeramTec markedsfører en ZTA kaldet Biolox delta, der har en aluminiumoxidmatrix med dispergerede Y-TZP-partikler (17 vægt/vægt%) og strontiumaluminat-blodplader (0.5 vægt/vægt%), giver en effektiv kombination af tetragonal-til-monoklin fasetransformationsmekanismer og revneafbøjningsmekanismer for at give forbedret sejhed, hvilket gør dette ideelt til primære THA-procedurer på lårbensbærende overflader.
Elektrisk isolering
Zirconia-hærdet aluminiumoxid kan modstå termisk stød uden at revne eller gå i stykker under pludselige temperaturændringer, takket være dispergerede aluminiumoxidpartikler fordelt i dens matrix, der absorberer den termiske energi og genererer trykspændinger, der forhindrer brud.
Alumina-zirconia keramik er mere tæt end dens rene zirconia modstykke, hvilket gør den ideel til elektrisk isolering. Desuden, dens lavere termiske udvidelse end zirconia gør den velegnet til dele, der kræver afkøling.
Transformationshærdning af aluminiumoxid-zirkoniumoxidkompositter giver yderligere fordele; her, zirkoniumoxidkorn i en aluminiumoxidmatrix gennemgår en metastabil fase, hvor deres korn undergår transformation fra tetragonale til monokliniske strukturer, reducerer således spændingsinduceret revnedannelse ved at øge modstanden mod slid og stød. Aluminiumoxidhærdet zirconia opstår typisk gennem pyrofor reaktion, der involverer zirconium(IV) oxid octahydrat, Aluminium Nitrat Nanohydrat Triethylamin og HNO3(Salpetersyre); stigende partikelstørrelser hjælper yderligere med at sprede metastabile zirconiumoxidkorn.