Alumine trempée à la zircone
Alumine trempée à la zircone (ZTA) est un matériau céramique avancé largement utilisé dans les joints de valve, bagues, composants de pompe et outils de coupe en raison de sa résistance et de sa stabilité chimique – comme en témoigne sa capacité à supporter de lourdes charges sans dégradation significative.
ZTA offre une résistance impressionnante aux chocs thermiques et peut résister à des changements brusques de température, ainsi que des changements rapides de température. Lisez la suite pour en savoir plus sur ses propriétés mécaniques!
Dureté
La zircone ajoutée à une matrice d'alumine augmente sa dureté, ténacité à la rupture et résistance à la flexion tout en augmentant la résistance à l'usure et à l'érosion. Le mécanisme généralement impliqué est une transformation de phase suivie par la formation de microfissures, mais peut également impliquer des théories de la théorie des contraintes, le cas échéant..
Les précipités de zircone tétragonaux métastables qui forment une fine dispersion au sein d'une matrice d'alumine peuvent subir une transformation spontanée en formes monocliniques lorsque leur contrainte est levée lors de la propagation des fissures., fournir de l'énergie contre les champs de contraintes favorisant la propagation des fissures.
La céramique ZTA a une ténacité et une dureté supérieures à celles des autres céramiques techniques à base d'oxyde, ainsi qu'une résistance à la fatigue cyclique deux fois supérieure à celle du Y-TZP. En tant que tel, ses propriétés le rendent adapté aux applications nécessitant une résistance extrême à l’usure, inertie chimique et faible frottement ainsi qu'une résistance et une rigidité élevées.
Résistance à la flexion
Les céramiques ZTA peuvent être fabriquées en modifiant le rapport de la zircone stabilisée à l'yttria (Y-TZP) au sein d'une matrice d'alumine par pressage isostatique à chaud, pour optimiser les combinaisons dureté-ténacité à la rupture-résistance à la flexion qui se traduisent par une résistance à la fatigue cyclique inégalée, surpassant les céramiques techniques les plus avancées.
Le Y-TZP métastable dans une matrice d'alumine entraîne la formation d'agglomérats de phase de transformation tétragonale-monoclinique qui augmentent la ténacité par transformation de phase. (Clausen 1976). Traverser préférentiellement les fissures, ces agglomérats de transition vont comprimer la zone en amont du front de fissure et réduire sa progression, augmentant finalement la ténacité à la rupture.
Cette structure matérielle a conduit à la création de composites alumine-zircone tels que BIOLOX Delta, largement utilisé pour les arthroplasties totales de la hanche et d'autres composants orthopédiques porteurs. Ce biomatériau céramique présente une résistance à l’usure exceptionnelle, inertie chimique à température ambiante, résistance aux chocs thermiques et excellente inertie chimique à toutes températures.
Résistance à la corrosion
Chimiquement inerte et résistant aux températures élevées et à l’usure, il offre des performances supérieures par rapport à 99 céramique d'alumine et est également plus rentable.
La zircone possède également une résistance à la traction impressionnante, propriétés de flexion et d'élasticité et biocompatibilité – ce qui le rend idéal pour les utilisations médicales comme les arthroplasties de la hanche. En raison du durcissement par transformation dans des conditions de contrainte, les particules de zircone passent de la forme tétragonale métastable à la forme monoclinique, aidant à fermer les fissures plus efficacement tout en augmentant la ténacité à la rupture.
CeramTec (Biolox Delta) commercialise un composite alumine-zircone dans lequel la zircone non stabilisée reste en phase tétragonale pour gérer cette transformation et fournir un émoussement des pointes de fissure et une déviation des fissures, amélioration de la ténacité de la matrice d'alumine. La teneur en zircone du matériau peut être modifiée grâce à des techniques de préparation de poudre et de densification..
Résistance aux chocs thermiques
La zircone ajoutée à une matrice d'alumine primaire pendant le frittage peut améliorer considérablement sa résistance et sa ténacité., créer ce qu'on appelle ZTA (Alumine trempée à la zircone), surpassant les céramiques d'alumine ordinaires dans les applications mécaniques et d'usure.
L'alumine trempée à la zircone est connue pour ses propriétés exceptionnelles telles qu'une dureté à chaud élevée et une résistance à la rupture, inertie chimique à température ambiante, faibles taux de dilatation thermique et excellente résistance aux chocs thermiques – propriétés idéales pour le fraisage de composants ainsi que pour les pièces d'usure nécessitant des mécanismes de refroidissement.
CeramTec commercialise un ZTA appelé Biolox delta qui comporte une matrice d'alumine avec des particules dispersées de Y-TZP (17 poids/% en poids) et plaquettes d'aluminate de strontium (0.5 poids/% en poids), fournissant une combinaison efficace de mécanismes de transformation de phase tétragonale à monoclinique et de mécanismes de déviation des fissures pour fournir une ténacité améliorée, ce qui le rend idéal pour les procédures de PTH primaires sur les surfaces d'appui fémorales.
Isolation électrique
L'alumine renforcée à la zircone peut résister aux chocs thermiques sans se fissurer ni se briser en cas de changements brusques de température, grâce à des particules d'alumine dispersées dans sa matrice qui absorbent l'énergie thermique et génèrent des contraintes de compression qui évitent les fractures.
La céramique alumine-zircone est plus dense que son homologue en zircone pure, ce qui le rend idéal pour les applications d'isolation électrique. En outre, sa dilatation thermique inférieure à celle de la zircone le rend adapté aux pièces nécessitant un refroidissement.
Le durcissement par transformation des composites alumine-zircone offre des avantages supplémentaires; ici, les grains de zircone dans une matrice d'alumine subissent une phase métastable au cours de laquelle leurs grains subissent une transformation de structures tétragonales à monocliniques, réduisant ainsi les fissures induites par les contraintes en augmentant la résistance à l'abrasion et aux chocs. La zircone renforcée à l'alumine se produit généralement par réaction pyrophorique impliquant du zirconium.(IV) oxyde octahydraté, Nitrate d'aluminium nanohydraté, triéthylamine et HNO3(Acide nitrique); l'augmentation de la taille des particules facilite également la dispersion des grains de zircone métastables.