תחמוצת זירקוניום ותחמוצת אלומיניום ביחד מייצרים אלומינה קשוחה של זירקוניה (ZTA), חומר יוצא דופן ביישומים רבים. תכונות מכניות, strength, קשיחות שבר, גְמִישׁוּת, hardness and wear resistance are highly appreciated in this composite ceramic material which belongs to the class of AZ composites. ZTA has become the preferred choice for high mechanical strength, thermal resistance and corrosion resistance.
Decoding the Composition and Structure
Among other things, Zirconia Toughened Alumina consists of zirconia grains dispersed uniformly within an alumina matrix. Normally, this includes 10-20% volume of ZrO2 in alumina. Depending on their proportions, constituent mixtures contribute to ceramics with specific features depending on a particular application.
Building Blocks: Alumina and Zirconia
The main components that are mixed to form ZTA are alumina and zirconia. יֶתֶר עַל כֵּן, orthopedic implants have been utilizing this ceramic material known as Aluminum Oxide (Al2O3) בהיסטוריה בשל התאימות הביולוגית הטובה שלו, כמו גם החוזק המכני הגדול ועמידות השברים שלו.
תכונה יוצאת דופן נוספת של זירקוניה היא שיעורי הקורוזיה הנמוכים שלה, כמו גם היציבות הכימית הטובה וחוזק מכני גבוה.. המודול של יאנג שלו הוא באותו סדר גודל עם סגסוגות נירוסטה.
איך זה נעשה
לייצר ZTA פירושו יצירת גרגרי זירקוניה בפאזה טטראגונלית המופצים באופן אחיד לאורך מטריצת אלומינה. ריכוז מתח של קצה הסדק יכול לשנות מבנה גבישי טטראגונל למבנה מונוקליני ובכך להוביל לעלייה קשורה בנפח הזירקוניה. הרחבת נפח כזו למעשה הופכת או עוצרת את צמיחת הסדקים המובילה לקשיחות וחוזק גבוהים יותר.
מאפיינים מכניים של קרמיקה ZrO2-Al2O3
יש מגוון רחב של תכונות מכניות שמציג ZTA כולל קשיות מעולה מאלומינים רגילים עם ערכי צפיפות דומים, חוזק כיפוף גבוה יותר מאשר אלומיניום רגיל ומקדם זירקוניאס רגיל של התרחבות תרמית ליניארית (CLTE).
אלומינה קשוחה של זירקוניה בעלת חוזק מכני גבוה ועמידה תרמית ולכן היא אינה משחית. להלן כמה מהנכסים של ZTA:
שווי נכס
נוסחה כימית Zr-Al2O3
צְפִיפוּת 4.1-4.38 g/cm^3
קַשִׁיוּת 1750-2100 לַחְצָן
גְמִישׁוּת 45-49 x 10^6 psi
חוזק גמישות 100-145 ksi
היחס של פויסון 0.26
קשיחות שבר 5-7 MPa m^1/2
מקדם התפשטות תרמית 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
מוליכות תרמית 20.0-21.0 W/mK
עמידות בפני הלם 325 מעלות צלזיוס
טמפרטורת עבודה מקסימלית 1650 מעלות צלזיוס
יישומים של ZrO2-Al2O3 קרמיקה
Zirconia Toughened Alumina משמש ביישומים שונים כגון אלה הדורשים חוזק גבוה ועמידות בפני שחיקה. אלה כוללים אטמי שסתומים, שרוולים, משאבת בוכנות, חרירי ריסוס וחלקים תעשייתיים אחרים.
תאימות ביולוגית של ZTA
במחקרים שונים, דווח כי ZTA אינו מייצר תגובה שלילית של הרקמה בעת ההשתלה ובכך הופך אותו למועמד טוב לרכיבים נושאי עומס אורטופדיים. בנוסף, הקשיות, קשיחות וחוזק שמציגים קרמיקה זירקוניה-אלומינה הופכים אותם למתאימים לרכיבים נושאי עומס אורטופדיים.
ZTA בניתוח מפרקי הירך
היו התלבטויות רבות על קרמיקה כמו אלומינה, זירקוניה וזירקוניה אלומינה קשוחה (ZTA) כחומרים מתאימים בניתוחי מפרק ירך . יתרונות אלו של ZTA הושגו ללא צורך לשלב את החסרונות הקשורים בזירקוניה מיוצבת איטריה המציגה תכונות מכניות גבוהות או אלומינה עם האינסטיות הגבוהה שלה..
ZTA בניתוח מפרקי ברך
לָרוֹב, עיצובי שתלים קרמיים עבור ניתוח מפרק ברכיים כולל (TKA) פותחו על מנת להתמודד עם סוגיית התגובות האלרגיות שעלולות להתרחש בחולים כאשר רכיבי טיטניום מודרניים או סגסוגת קובלט-כרום משחררים חלקיקי שחיקה. ה-Zirconia Toughened Alumina (ZTA) Matrix Composite הוא חומר ביולוגי חדשני עבור יישומים כאלה.
ZTA: העתיד המבטיח
זה כרוך במחקר מתמשך כמו גם בפיתוח על דרכים לשיפור התכונות של ZTA והשימושים הפוטנציאליים שלה. Zirconia Toughened Alumina אחר שעובד באצווה תוכנן עם תכונות מכניות במונחים של חוזק כיפוף הנמוכים משמעותית מאלו של Biolox® Delta הזמינה מסחרית. אַחֵר, כגון חומרים מרוכבים קרמיקה סיליקון ניטריד שהוכנסו לאחרונה לניתוחי מפרק הירך, גם הם מציגים חוזק גבוה יותר מאלומינה. העתיד מזהיר עבור ZTA עם יישומים רבים ותכונות מעולות. לָכֵן, עם טכנולוגיה מתפתחת, צפוי ש-ZTA יהווה בסיס למושגים חדשים בחזיתות שונות במיוחד בתחום הביו-רפואה.