اکسید زیرکونیوم و اکسید آلومینیوم در کنار هم، آلومینا سخت شده زیرکونیایی تولید می کنند. (ZTA), یک ماده استثنایی در بسیاری از کاربردها. خواص مکانیکی, قدرت, چقرمگی شکست, خاصیت ارتجاعی, سختی و مقاومت در برابر سایش در این ماده سرامیکی کامپوزیت که متعلق به کلاس کامپوزیت های AZ است بسیار قدردانی می شود.. ZTA به انتخاب ارجح برای استحکام مکانیکی بالا تبدیل شده است, مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی.
رمزگشایی ترکیب و ساختار
از جمله موارد دیگر, آلومینا سخت شده زیرکونیا از دانه های زیرکونیا تشکیل شده است که به طور یکنواخت در یک ماتریس آلومینا پراکنده شده اند.. به طور معمول, این شامل 10-20% حجم ZrO2 در آلومینا. بسته به نسبت آنها, مخلوط های تشکیل دهنده به سرامیک ها با ویژگی های خاص بسته به کاربرد خاص کمک می کنند.
بلوک های ساختمانی: آلومینا و زیرکونیا
اجزای اصلی که برای تشکیل ZTA مخلوط می شوند آلومینا و زیرکونیا هستند. علاوه بر این, ایمپلنت های ارتوپدی از این ماده سرامیکی به نام اکسید آلومینیوم استفاده می کنند (Al2O3) در تاریخ به دلیل زیست سازگاری خوب و همچنین استحکام مکانیکی زیاد و مقاومت در برابر شکست.
یکی دیگر از ویژگی های برجسته زیرکونیا نرخ خوردگی پایین و همچنین پایداری شیمیایی خوب و استحکام مکانیکی بالا است.. مدول یانگ آن به همان ترتیب با آلیاژهای فولاد ضد زنگ است..
چگونه ساخته شده است
تولید ZTA به معنای ایجاد دانه های زیرکونیایی فاز چهار ضلعی است که به طور یکنواخت در سراسر ماتریس آلومینا توزیع شده اند.. غلظت تنش نوک ترک می تواند ساختار کریستالی چهار ضلعی را به یک ساختار مونوکلینیک تغییر دهد و در نتیجه منجر به افزایش حجم زیرکونیا شود.. چنین انبساط حجمی به طور موثر رشد ترک را معکوس یا متوقف می کند که منجر به چقرمگی و استحکام بیشتر می شود.
خواص مکانیکی سرامیک های ZrO2-Al2O3
طیف وسیعی از خواص مکانیکی توسط ZTA از جمله سختی برتر نسبت به آلومیناهای معمولی با مقادیر چگالی مشابه وجود دارد., استحکام خمشی بالاتر نسبت به آلومیناهای معمولی و کمتر از زیرکونیاهای معمولی ضریب انبساط حرارتی خطی (CLTE).
آلومینا سخت شده زیرکونیا دارای استحکام مکانیکی بالایی است و از نظر حرارتی مقاوم است، بنابراین خوردگی نمی کند.. در زیر برخی از ویژگی های ZTA آورده شده است:
ارزش ملک
فرمول شیمیایی Zr-Al2O3
تراکم 4.1-4.38 g/cm^3
سختی 1750-2100 دکمه
خاصیت ارتجاعی 45-49 x 10^6 psi
استحکام خمشی 100-145 ksi
نسبت پواسون 0.26
چقرمگی شکست 5-7 MPa m^1/2
ضریب انبساط حرارتی 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
هدایت حرارتی 20.0-21.0 W/mK
مقاومت در برابر ضربه 325 درجه سانتی گراد
حداکثر دمای کاری 1650 درجه سانتی گراد
کاربردهای سرامیک ZrO2-Al2O3
آلومینا سخت شده زیرکونیا در کاربردهای مختلفی مانند مواردی که به استحکام و مقاومت در برابر سایش بالا نیاز دارند استفاده می شود. از جمله این موارد می توان به آب بندی دریچه ها اشاره کرد, آستین ها, پیستون های پمپ, نازل های پاشش و سایر قطعات صنعتی.
زیست سازگاری ZTA
در مطالعات مختلف, گزارش شده است که ZTA پس از کاشت هیچ واکنش نامطلوبی در بافت ایجاد نمی کند، بنابراین آن را کاندید خوبی برای اجزای باربر ارتوپدی می کند.. علاوه بر این, سختی, چقرمگی و استحکام نشاندادهشده توسط سرامیکهای زیرکونیا آلومینا، آنها را برای اجزای باربر ارتوپدی مناسب میکند..
ZTA در آرتروپلاستی هیپ
مذاکرات قابل توجهی در مورد سرامیک هایی مانند آلومینا صورت گرفته است, زیرکونیا و زیرکونیا آلومینا سخت شده (ZTA) به عنوان مواد مناسب در آرتروپلاستی لگن . این مزایای ZTA بدون نیاز به ترکیب معایب مربوط به زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا که خواص مکانیکی بالا یا آلومینا را با بی اثری بالای خود نشان می دهد به دست آمد..
ZTA در آرتروپلاستی زانو
بیشتر, طرح های ایمپلنت سرامیکی برای آرتروپلاستی کامل زانو (TKA) به منظور رسیدگی به مسئله واکنشهای آلرژیک که ممکن است در بیماران رخ دهد، هنگامی که اجزای آلیاژ تیتانیوم یا کبالت کروم مدرن ذرات سایش را آزاد میکنند، ایجاد شدهاند.. زیرکونیا آلومینا را سخت کرد (ZTA) Matrix Composite یک ماده زیستی پیشرفته برای چنین کاربردهایی است.
ZTA: آینده امیدوار کننده
این شامل تحقیقات مستمر و همچنین توسعه در مورد راه های بهبود ویژگی های ZTA و استفاده های بالقوه آن است. یکی دیگر از آلومینای سخت شده زیرکونیا فرآوری شده به صورت دسته ای با خواص مکانیکی از نظر استحکام خمشی بسیار کمتر از خواص تجاری Biolox® Delta طراحی شده است.. دیگری, مانند کامپوزیت های سرامیکی نیترید سیلیکون که اخیراً در آرتروپلاستی لگن معرفی شده اند نیز استحکام بالاتری نسبت به آلومینا دارند. آینده برای ZTA با کاربردهای فراوان و خواص برتر روشن است.. بنابراین, با تکنولوژی در حال توسعه, انتظار می رود که ZTA پایه ای برای مفاهیم جدید در زمینه های مختلف به ویژه در زیست پزشکی باشد.