זירקוניה אלומינה קשוחה ליישומים מתקדמים

ZTA הוא חומר מרוכב מאלומינה-זירקוניה, מובחן בחוזק וקשיחות מעולה. מיוצר באמצעות טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח של חלקיקי זירקוניה טטראגונליים עדינים במטריצת אלומינה.

קרמיקת זירקוניה הם חומרים טכניים יוצאי דופן, מתהדר בקשיחות מעולה, יציבות תרמית, עמידות בפני שחיקה וסביבות הפעלה שבהן קרמיקות רבות אחרות אינן יכולות לבצע. מתכות ופלסטיק פשוט לא יכולים להשוות. יֶתֶר עַל כֵּן, קרמיקת זירקוניה מציגה גם קשיות יוצאת דופן לייצור כלים.

כּוֹחַ

ZTA בולט בין חומרים קרמיים עם החוזק והקשיחות יוצאי הדופן שלו, התנגדות ללבוש, אינרציה כימית, מקדם חיכוך נמוך, יחס קשיות/קשיחות גבוה ומקדם התפשטות תרמית נמוך יחסית לרוב האחרים – מה שהופך אותו לחומר אידיאלי עבור יישומים כגון כלי חיתוך. יֶתֶר עַל כֵּן, התאימות הביולוגית שלו הופכת את ZTA גם לבחירת חומר אטרקטיבית.

ZTA מוגדר על ידי התפלגות אחידה מאוד של חלקיקי זירקוניה טטראגונליים בתוך מטריצת אלומינה. זה מושג באמצעות טכניקות ערבוב מתוחכמות כגון כרסום כדורים וטחינת שחיקה באנרגיה גבוהה; לאחר מיזוגן ניתן ליצור את האבקות לרכיב המיועד להן באמצעות כבישה יבשה, לחיצה איזוסטטית, טכניקות הזרקה או אקסטרוזיה.

זירקוניה המפוזרת לאורך מטריצת אלומינה משפרת את קשיחות השבר על ידי ספיגת ופיזור אנרגיית הסדקים, המכונה הקשחת טרנספורמציה. זירקוניה תורמת גם לעמידות בפני שחיקה על ידי יצירת מתחי דחיסה המונעים התפשטות סדקים – המכונה חידוד עצמי – מה שהופך את ZTA לבחירת חומר מצוינת לטחינת גלגלים.

קְשִׁיחוּת

Zirconia Toughened Alumina (ZTA) קרמיקה מתהדרת בחוזק מרשים ובקשיחות שבר, מה שהופך אותם למושלמים לשימוש במגוון יישומים וסביבות. החוסן המדהים הזה נובע מהטרנספורמציה של שלב של עדין הנגרמת על ידי מתח, חלקיקי זירקוניה טטראגונליים מפוזרים בצורה אחידה בתוך מטריצת אלומינה; מתח גורם לשינוי פאזה לייצור רשתות מיקרו-סדקים של זירקוניה-אלומינה הסופגות אנרגיית התפשטות הסדקים המעכבים ביעילות את התפשטותם תוך הגברת עמידות השברים (קלוזן 1976).

ZTA בולט בשל עמידות הלם תרמי יוצאת דופן. הודות לשילוב הייחודי של הרכב שלב טטראגונל-מונוקליני, קרמיקה זו יכולה לעמוד בשינויים מהירים בטמפרטורה מבלי להיסדק או להישבר, בעוד שהטרנספורמציה של זירקוניה הנגרמת על ידי מתח לצורתו הטטראגונלית המט-יציבה מייצרת מתחי דחיסה המונעים היווצרות סדקים בתוך מטריצת האלומינה שלו ומגדילים משמעותית את הקשיחות ובכך מגדילים עוד יותר את הביצועים של ZTA.

ZTA מתגאה לא רק בחזקה שלו, מבנה טטראגונל-מונוקליני וקשיחות שבר גבוהה, אלא גם מקדם התפשטות תרמית נמוך (CTE), מה שהופך אותו למתאים ליישומים הדורשים טמפרטורות קיצוניות או סביבות שבהן יציבות מימדית חיונית, כגון רכיבים מדויקים או חבילות אלקטרוניות.

ZTA בולט בין חומרי השתלים הרפואיים בשל השילוב של עמידות כימית, תכונות מכניות ועמידות בפני קורוזיה בסיוע מאמץ במים או בנוזלי גוף, מה שהופך אותו למועמד ראשי עבור שתלים רפואיים כגון ראשי ירך אורטופדיים וציפוי אצטבולרי. BioLOX Delta biomaterial הוא דוגמה כזו; בשימוש נרחב במהלך ניתוחים אורטופדיים עבור שני היישומים.

עמידות בפני קורוזיה

ZTA מתגאה בתכונות מעולות הן של אלומינה והן של זירקוניה, מה שהופך אותו לעמיד ביותר הן להתקפה כימית והן לבלאי, מה שהופך אותו למושלם עבור יישומים הכוללים סביבות מועדות לקורוזיה או חיכוך חוזר או מתח מכני.

שילוב של קשיות האלומינה עם הקשיחות של זירקוניה מביא לתכונות טריבולוגיות מצוינות המאפשרות עמידות בפני שחיקה מצוינת ברכיבים עם עומסים כבדים ושימוש ארוך טווח, כמו שתלים אורטופדיים, כלי חיתוך ורכיבים עמידים בפני שחיקה המשמשים בניהול נוזלים (מדריכי חוטים, מיסבים, חרירים וכו'). שילוב זה ישים במיוחד במסגרות רפואיות ותעשייתיות כמו שתלים אורטופדיים, כלי חיתוך או ניהול נוזלים (מובילי חוט מיסבים חרירי וכו').

ניתן לייחס את קשיחות השבר המוגברת של ZTA לחלקיקי הזירקוניה המפוזרים עדינים במטריצת האלומינה שלו. כאשר סדקים מתחילים להתפשט, כאשר האנרגיה שלהם גדלה ומתפשטת הלאה, גרגרי זירקוניה טטראגונליים אלו עוברים טרנספורמציה של פאזה כדי לספוג ולהתפזר כחלק ממנגנון התקשות טרנספורמציה – לפיכך שיפור קשיחות השבר של חומר זה.

ההצלחה בייצור קרמיקת ZTA טמונה בשימוש באבקות זירקוניה ואלומינה באיכות פרימיום ללא זיהומים. יש לשלוט בסינטרה כדי למנוע טרנספורמציה ספונטנית של זירקוניה טטראגונלית-למונוקלינית במהלך הקירור וכדי למזער היווצרות פאזה מונוקלינית מט-יציבה הרגישה לספיגה כימית עם מולקולות מים שמובילה לפירוק בטמפרטורה נמוכה בשימוש ארוך טווח.; תהליך הסינטרינג של קרמיקת ZTA של Saint-Gobain ZirPro נוצר במיוחד כדי למנוע תופעות לא רצויות כאלה. למרבה המזל הקרמיקה ZTA של Saint-Gobain ZirPro קרמיקה תוכננה במיוחד כדי למנוע תופעות כאלה לקרות –

יציבות תרמית

Zirconia Toughened Alumina (ZTA) יכול לעמוד בשינויים מהירים בטמפרטורה מבלי להיסדק או להישבר, הודות לחלקיקי זירקוניה המפוזרים בתוך מטריצת אלומינה הסופגת אנרגיית חום ויוצרים מתחי לחיצה המונעים סדקים וכישלון. כי ZTA סופג אנרגיה תרמית בצורה כל כך יעילה, חומר זה מהווה בחירה מצוינת עבור יישומים הדורשים עמידות בטמפרטורה גבוהה.

הוספת זירקוניה למטריצת אלומינה יכולה להגביר את קשיחות השבר ובו זמנית לשפר תכונות מכניות כמו חוזק ועמידות בפני שחיקה. קשיחות השבר המוגברת ב-ZTA מיוחסת לטרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח משלב טטראגונל גרורתי לשלב מונוקליני בטמפרטורות הסביבה; אפקט המוגבר על ידי גדלי גרגירי זירקוניה קטנים יותר מאלו שבאלומינה.

מייצבים משמשים לעתים קרובות כדי לשמר את שלב הזירקוניה הטטראגונלי בחומרי ZTA כגון Biolox Delta; אוּלָם, ניתן להשיג תוצאות דומות ללא מייצבים מבחינת חלוקת החלקיקים וקשיחות השבר.

שילוב של אלומינה וזירקוניה יוצר קרמיקה מתקדמת המצטיינת בחוזקה, קשיחות שבר, גמישות וקשיות – מאפיינים חיוניים ליישומים הדורשים ביצועים מבניים ועמידות בפני קורוזיה. קרמיקה של ZTA נוטה לעלות על ביצועים 99% קרמיקת אלומינה בהיותה חסכונית תוך מתן מענה לצורכי יישומים ספציפיים בצורה יעילה יותר; ניתן אפילו להתאים את היחס שלהם באופן ספציפי.