Αλουμίνα με σκληρυνόμενη ζιρκονία – Ενισχυμένη αντοχή για βιομηχανική αριστεία

Αλουμίνα με σκληρυνόμενη ζιρκονία (ZTA) είναι ένα εξαιρετικό κεραμικό, διακρίνεται από υψηλή σκληρότητα και αντοχή σε θραύση λόγω των σωματιδίων ζιρκονίας σταθεροποιημένα με ύττρια που διασπείρονται μέσω μιας μήτρας αλουμίνας.

Αυτό το υλικό μπορεί να αντέξει τις γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας χωρίς να ραγίσει ή να σπάσει, αντιστέκεται στη χημική διάβρωση και προσφέρει εξαιρετική αντοχή στο θερμικό σοκ.

Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση

Τα κεραμικά ZTA προσφέρουν μια ιδανική ισορροπία μεταξύ αντοχής και αξίας, είναι ισχυρότερο από τα προϊόντα αλουμίνας αλλά λιγότερο δαπανηρό από το καθαρό ζιρκόνιο. Οι μηχανικές τους ιδιότητες – αντοχή σε θραύση, αντοχή και σκληρότητα σε κάμψη καθώς και αντοχή σε θερμικό σοκ – τα καθιστούν κατάλληλα για την κατασκευή βιομηχανικών εργαλείων όπως οι τροχοί κοπής.

Το ZTA επιτυγχάνει τις ανώτερες ιδιότητές του χάρη στην προσθήκη ζιρκονίου σταθεροποιημένου με ύττρια (ΥΣΖ) σωματίδια μέσα σε μια μήτρα αλουμίνας. Όταν διασκορπίζεται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση, Το YSZ βοηθά στη βελτιστοποίηση τόσο της σκληρότητας-θραύσης όσο και της αντοχής σε εφελκυσμό και των δύο στοιχείων με αποτέλεσμα εξαιρετική αντοχή στη φθορά, χημική αδράνεια σε θερμοκρασία δωματίου και ιδιότητες θερμής σκληρότητας/αντοχής σε σύσπαση για ένα εξαιρετικό κεραμικό υλικό.

Προϊόντα ZTA’ Οι μηχανικές ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις οδούς επεξεργασίας τους για την παραγωγή σκόνης, συμπεριλαμβανομένων των θερμικών επεξεργασιών, μέθοδοι πύρωσης, τεχνικές ξήρανσης και διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης καθώς και προσαρμοσμένη διαμόρφωση με πρόσθετα που προστίθενται κατά την παραγωγή. Όλοι αυτοί οι παράγοντες έχουν άμεση επίδραση στη δύναμή τους, ιδιότητες ελαστικότητας και σκληρότητας.

Εξαιρετική αντοχή στο θερμικό σοκ

Τα κεραμικά ZTA προσφέρουν εξαιρετική αντοχή στο θερμικό σοκ, καθιστώντας τα μια εξαιρετική επιλογή για αεροδιαστημικές εφαρμογές που απαιτούν υψηλά επίπεδα αντοχής, σκληρότητα, και χημική αδράνεια. Όταν διασπείρεται ομοιόμορφα μέσα σε μια μήτρα αλουμίνας, το YSZ μπορεί να βελτιστοποιηθεί. Ένα τέτοιο κεραμικό ζιρκονίας-αλουμίνας σκληρυμένο με μετασχηματισμό που προσφέρουμε είναι το BIOLOX delta το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ορθοπεδικά φέροντα εξαρτήματα όπως αντικαταστάσεις ισχίου.

Ο μετασχηματισμός που προκαλείται από το στρες από τη μετασταθερή τετραγωνική σε μονοκλινική δομή του YSZ προκαλεί διόγκωση όγκου και διατμητική τάση που καταπολεμούν τη διάδοση της ρωγμής, αυξάνοντας την αντοχή στη θραύση ενώ ταυτόχρονα βελτιώνει την αντοχή στην κάμψη. Η απόδοση ενός τέτοιου κεραμικού σκληρυμένου με μετασχηματισμό αλουμίνας-YSZ εξαρτάται από τις συνθήκες επεξεργασίας καθώς και από τη στοιχειομετρία των συστατικών του οξειδίων στη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης.

Οι κακώς ελεγχόμενες συνθήκες πυροσυσσωμάτωσης μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλή αντοχή σε κάμψη και κακή ομοιογένεια μιας μήτρας αλουμίνας-YSZ, πιθανώς λόγω παγίδευσης αέρα ή συσσωμάτωσης σωματιδίων. Με την προσθήκη πρόσθετων όπως ύττρια ή οξείδια μαγνησίου, μπορεί κανείς να μειώσει τη θερμοκρασία μετασχηματισμού τετραγωνικού σε μονοκλινικό και να ενισχύσει τις ιδιότητες πυροσυσσωμάτωσης της ζιρκονίας.

Εξαιρετική αντοχή στη φθορά

Το ZTA δεν υπερέχει μόνο όσον αφορά την αντοχή σε θερμικό σοκ και την αντοχή στη διάβρωση, αλλά είναι επίσης εξαιρετικά ανθεκτικό στη φθορά λόγω του μηχανισμού περιβλήματος μετασχηματισμού τετραγωνικής-μονκλινικής φάσης. Επί πλέον, in vitro μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι τα συστατικά ZTA είναι λιγότερο επιρρεπή σε υδροθερμική αποικοδόμηση – κάτι με μεγάλη σημασία στην αντικατάσταση ισχίου μηριαίας κεφαλής και κεραμικής κυπέλλου (όπως το BIOLOX delta που παράγεται από την CeramTec).

Οι προσομοιωμένες δοκιμές φθοράς που πραγματοποιήθηκαν σε εξαρτήματα ZTA κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά αλουμίνας-ζιρκόνιου έχουν δώσει εντυπωσιακά αποτελέσματα όσον αφορά την αντοχή στη φθορά, αντοχή και σκληρότητα σε κάμψη. Τα δείγματα ZTA που εκτέθηκαν σε πολλαπλούς κύκλους στον προσομοιωτή ισχίου εμφάνισαν ελάχιστη υποβάθμιση με σημαντικά χαμηλότερη τραχύτητα επιφάνειας από τα μονολιθικά εξαρτήματα ζιρκονίας.

Τα εξαρτήματα ZTA έχουν αποδειχθεί κατάλληλα για απαιτητικές εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία (θερμή και ψυχρή διαμόρφωση εργαλείων, κύλινδροι κλεισίματος κονσερβών και καπάκια); ενεργειακή βιομηχανία (ρουλεμάν, ένθετα στομίου και ανιχνευτές δίνης); επεξεργασία τροφίμων (εξαρτήματα αντλίας ομογενοποίησης); και της ενεργειακής βιομηχανίας. Οι μηχανικές τους ιδιότητες εξαρτώνται από πολλές μεταβλητές: οδοί προετοιμασίας που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή σκόνης; μέθοδοι ξήρανσης που χρησιμοποιούνται κατά την πύρωση; τεχνικές διαμόρφωσης που υιοθετούνται κατά τις τεχνικές πυροσυσσωμάτωσης; προσαρμοσμένη διαμόρφωση; πρόσθετα και κατανομή μεγέθους σωματιδίων μεταξύ άλλων.

Εξαιρετική Δύναμη

Τα κεραμικά ZTA χρησιμοποιούν μετασχηματισμό που προκαλείται από καταπόνηση για να ενσωματώσει τη ζιρκονία σε μια μήτρα αλουμίνας, αυξάνοντας τη δύναμη και την αντοχή με την πάροδο του χρόνου. Αυτό καθιστά το ZTA μια εξαιρετική κεραμική λύση για βιομηχανικές εφαρμογές που απαιτούν σκληρότητα, υψηλή αντοχή στη διάβρωση, ανοχή θερμικού σοκ και ανοχή θερμικού σοκ.

Υπό πίεση, τετραγωνικά μετασταθερά ιζήματα σε κυβική αλουμίνα υφίστανται μια απότομη μετατροπή σε μονοκλινικά σωματίδια τα οποία αυξάνουν την αντοχή τους στη θραύση δημιουργώντας συμπιεστικά επιφανειακά στρώματα που προσκολλώνται σε ρωγμές μέσα στη μήτρα του.

Η σκλήρυνση μετασχηματισμού είναι ένα φαινόμενο γνωστό ως σκλήρυνση κατάγματος, όπου η αυξημένη αντοχή στη θραύση της αλουμίνας έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο μήκος ρωγμής, λιγότερο ρωγμή αμβλύνοντας, και βελτιωμένες αλληλεπιδράσεις με προϋπάρχουσες μικρορωγμές. Αυτό επιτρέπει συνδυασμούς ρουλεμάν hard-on-hard και hard-on-soft που χρησιμοποιούνται σε σύγχρονα κεραμικά ιατρικής ποιότητας, όπως αντικαταστάσεις ισχίου. Επί πλέον, Τα εμφυτεύματα ζιρκονίας με σταθεροποιημένο ύττριο γνωστά ως y-TZP παρέχουν προστασία από τη φθορά με την πάροδο του χρόνου.