Zirconia Toughened Alumina

חומרים מרוכבים מאלומינה-זירקוניה מתקשים באמצעות טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח של חלקיקי זירקוניה טטראגונליים עדינים לקשים, חומרים חזקים עם חוזק וקשיחות קיצוניים ההופכים אותם למתאימים ליישומים וסביבות שונות.

ג'לcasting שימש לייצור דגימות ZTA, עם תשומת לב מדוקדקת לאופטימיזציה של הכנת הרחצה עם עומסים מוצקים שונים, תהליכי דפוס ופירוק, ייבוש ממס (ייבוש אוסמוטי לעומת אוויר), ותהליכי פירוליזה וסינטרינג ב 1550 ו 1650 degC למטרות ייבוש. צְפִיפוּת, קַשִׁיוּת, הערכות קשיחות שבר וחוזק כיפוף בוצעו על כל הדגימות שיוצרו באמצעות ג'לcasting.

יש לו קשיות גבוהה

אלומינה מחוסמת זירקוניה (ZTA) אידיאלי עבור יישומים תובעניים בשל הקשיות הגבוהה שלו. מיוצר באמצעות יציקת ג'ל, ZTA מציעה חיסכון בעלויות על פני חומרים קרמיים אחרים תוך התפארות בחוזק מעולה. ZTA יכול לסבול טמפרטורות של 1650 degC תוך שמירה על עלות חסכונית בשל היותה מורכבת מאבקות של זירקוניה מיוצבת איטריה ואלומינה ששולבו באמצעות טכניקות יציקת ג'ל וסינטר.

קרמיקת ZTA בולטת בשל הקשיחות המדהימה שלה בשל השינוי שלה משלב טטראגונל לשלב מונוקליני, הגדלת קשיחות השבר בשיעור של עד שניים. מנגנון זה נגרם מהבדלים בין מודול האלסטי שלהם בין השלבים שלהם – זירקוניה ואלומינה בהתאמה – כלומר שדות מתח שנוצרו במהלך טרנספורמציה פאזה למעשה פועלים להפחתת התפשטות הסדקים מה שהופך את ZTA לקשה הרבה יותר מקרמיקת אלומינה מסורתית.

אלומינה מוקשחת זירקוניה מתהדרת בקשיחות וקשיחות שבר מעולה על פני AlN, כמו גם חוזק כיפוף מעולה בהשוואה לשני החומרים הללו, מה שהופך אותו למועמד מצוין ליישומי רכב ואנרגיה בת קיימא. יֶתֶר עַל כֵּן, ZTA מציג עמידות מעולה בפני זעזועים תרמיים כמו גם תכונות בידוד חשמלי טובות, מה שהופך אותו למתאים לשימוש ברכב ושימושים רפואיים אחרים; יֶתֶר עַל כֵּן, ZTA אינו מציג נזק ל-DNA או השפעות סרטניות בתאי יונקים, מתן שימוש פוטנציאלי כחומר להשתלת שיניים בשל תכונותיו המכניות המצוינות ותכונות התאימות הביולוגית שלו.

יש לו קשיחות גבוהה

אלומינה מחוסמת זירקוניה (ZTA), או אלומינה מחוסמת זירקוניום, הוא חומר קרמי המורכב מאלומינה וזירקוניום המציע תכונות מכניות יוצאות דופן כגון קשיחות כיפוף גבוהה, קשיחות שבר, גְמִישׁוּת, קשיות ועמידות בפני שחיקה. ניתן לשנות בקלות את היחס בין חומרים אלה כדי לענות על יישומים ספציפיים; מוצרי ZTA מתגברים על אלה שנעשו עם זירקוניה טהורה תוך שהם חסכוניים יותר.

נעשה שימוש מוצלח בחומר זה בהחלפת ראשי הירך ובחיפוי אצטבולרי בשל התאימות הביולוגית שלו ויכולות נשיאת העומס לטווח ארוך.. אוּלָם, תחילה יש להעריך את התאמתו in vivo.

ZTA משיגה קשיחות גבוהה הודות למבנה הטטראגונל המט-יציב וכוח הלחיצה שלו ממטריצת אלומינה, כאשר מתחי מתיחה גבוהים גורמים להתקשות טרנספורמציה; כלומר, זירקוניה הופך לצורות מונוקליניות כאשר היא נתונה לכוחות דחיסה ממטריצת אלומינה, ייצור אנרגיות מתח שמאטות או עוצרות את התפשטות הסדקים ובכך מייצרות אפקטים של התקשות טרנספורמציה המונעות התפשטות הסדקים.

ZTA מתגאה בחוזק כיפוף משופר משמעותית מעל 99% קרמיקת אלומינה בשל הפאזה הטטראגונלית המט-יציבה שלה ומטריצת האלומינה, מתעלה עליו באופן משמעותי בהקשר זה. אוּלָם, חומרים מרוכבים של אלומינה-זירקוניה עלולים להפוך לשבירים עקב הומוגניות נמוכה יותר ולכידת אוויר, כמו גם הצטברות חלקיקים המובילה לפגמים נקודתיים וירידה בחוזק הכיפוף – אך הביצועים שלו עולים על קרמיקת אלומינה מסורתית ביישומים רפואיים ותעשייתיים כאחד.

יש לו חוזק גבוה

אלומינה מוקשחת זירקוניה היא חומר עמיד במיוחד, מה שהופך אותו למתאים ליישומים נושאי עומס. מיוצר באמצעות טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח של חלקיקי זירקוניה טטראגונליים עדינים למטריצת אלומינה, ייצורו מביא לפיזור חלקיקים אחיד ביותר עם תכונות חוזק וקשיחות יוצאות דופן.

קרמיקה גם עמידה מאוד בפני קורוזיה כימית. הוא מתאים לשימושים רבים כולל שתלים רפואיים וחומרים דנטליים בשל יכולתו לעמוד בחשיפה חוזרת ונשנית לנוזלי גוף וכימיקלים.

ZTA בולט גם בהתנגדות לזעזועים תרמיים שלה, כאשר חלקיקי הזירקוניה שלו מפוזרים בתוך מטריצת אלומינה סופגים אנרגיה תרמית ויוצרים מתחי דחיסה כדי למנוע היווצרות סדקים – זה מאפשר שימוש בטוח בקרמיקה של ZTA עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה כגון רכיבי תנור וחלקי מנוע טורבינה מבלי להסתכן בנזק או בכשל.

ZTA שואב את כוחו מהמבנה שלו ומהתפלגות הננו-חלקיקים, כמו גם לחיצה איזוסטטית חמה וסינטר קונבנציונלי להגברת האמינות. לגמישות נוספת, ניתן לייצר אותו גם באמצעות שיטות ייצור סול-ג'ל אשר הופכות מולקולות למוצקים – במקרה זה, שילוב של אבקת אלומינה ואבקות זירקוניה בנוזל דמוי ג'ל שניתן ליצור לצורות שונות לפני האפייה בתנור עד שהתרחש אשפרה לפני ביטול התבנית וייבוש כדי להניב ZTA עם מבני גביש עדינים בצפיפות גבוהה יחד עם קריסטל שונה, אָטוֹמִי, מצבים אלקטרוניים וכתוצאה מכך ZTA אשר מציגים צפיפות גבוהה כמו גם קריסטל שונה, מצבים אטומיים כמו גם מבני גביש שהשתנו, מבני גביש שינו כמו גם גבישים שינו, מצבים אטומיים הגורמים לשינוי בגביש, מצבים אטומיים להגברת האמינות.

יש לו עמידות בטמפרטורה גבוהה

חומר ZTA מציע עמידות טמפרטורה מעולה, מה שהופך אותו למתאים ליישומים הדורשים עמידות קיצונית. יֶתֶר עַל כֵּן, עמידותו בפני קורוזיה וחוזק הכיפוף הגבוה יותר הופכים את ZTA למתאים לחשיפה ארוכת טווח לטמפרטורות של עד 1773 ק – מה שהופך אותו לבחירה מצוינת לחשיפה ארוכת טווח של ציוד לרמות חום גבוהות.

מחקרים אחרונים מצביעים על כך שזירקוניה משפרת את התכונות המכניות של אלומינה, במיוחד הקשיחות וחוזק הכיפוף שלו. השפעה זו מתרחשת מכיוון שחלקיקי זירקוניה יוצרים לחץ דחיסה על מטריצת אלומינה בעת לחץ; מתח לחיצה זה עוזר להפחית את התפשטות הסדקים ובו זמנית מגביר את קשיחות השבר.

גורמים רבים משפיעים על הביצועים של חומרים מרוכבים של ZTA, כמו שיטות הסינטר שלו והטמפרטורות שלו כמו גם כמות הזירקוניה שנוספה. בִּכלָל, הוספת עוד זירקוניה נוטה לשפר את הביצועים; עם זאת, יותר מדי זירקוניה עלול להפחית את חוזק הכיפוף שלו כמו גם את קשיחות השבר.

אלומינה-זירקוניה קשוחה (זֶה) הוא חומר קרמי טכני מתקדם המשמש ביישומים תעשייתיים שונים. בנוי מאלומינה ותחמוצת זירקוניום המחוברים בקשרים קרמיים המשפרים את חוזק הכיפוף וקשיחות השבר של החומר, AZT מייצר חומר מצוין עבור מכונות החשופות לטמפרטורות גבוהות כגון תנורים ותנורים.