קשיחות מתקדמת ליישומים תעשייתיים

Zirconia Toughened Alumina (ZTA) רכיבים קרמיים משלבים את הקשיות והחוזק של אלומינה עם קשיחות השבר המעולה של זירקוניה כדי לספק ביצועים ואריכות ימים עבור יישומים תעשייתיים.

טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח של חלקיקי זירקוניה טטראגונליים משובצים בתוך מטריצת אלומינה מובילה לחומרי ZTA בעלי חוזק וקשיחות מעולים, מתאים לשימוש בסביבות קשות שונות.

קְשִׁיחוּת

חומרי ZTA משלבים את הקשיחות של אלומינה עם הקשיחות של זירקוניה לעמידות ללא תחרות בפני שחיקה ושחיקה. השפעה זו מתאפשרת באמצעות הקשחת טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח: כאשר לחוץ, חלקיקי זירקוניה עוברים מהפאזה הטטראגונלית המט-יציבה שלהם לצורה מונוקלינית יציבה; הרחבת נפח הנגרמת על ידי שינוי מבני זה עוזרת לסגור כל סדקים בתוך מטריצת אלומינה ולהגביר את הקשיחות באופן משמעותי.

ZTA מכיל טסיות זירקוניה שמתגרעות לתוך מטריצת אלומינה במהלך הסינטר, שיפור קשיחות וכוח השבר תוך הגברת קשיחות השבר, יצירת חומר בעל חוזק כיפוף גדול יותר מ-Y-TZP ועד פי שניים מעוצמת העייפות המחזורית שלו. שילוב זה של קשיחות מאלומינה בשילוב עם חוזק זירקוניה הופך את ZTA לבחירת חומר מצוינת ליישומים תעשייתיים הדורשים עמידות בפני נזקים.

עֲמִידוּת

Zirconia Toughened Alumina (ZTA) מתגאה בעוצמות כיפוף ולחיצה יוצאות דופן, עם התפשטות תרמית נמוכה שווה ערך לזו של אלומינה ותכונות עמידות בלאי יוצאות דופן.

אלומינה קשוחה זירקוניה נוצרת על ידי הוספת גרגרי זירקוניה טטראגונליים באמצעות טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח למטריצת אלומינה קשה, עוטף אותם לתוך המבנה שלו תוך הגבלת הפיכתם לאזורים מקומיים במקום להתפשט לאורכם.

מנגנון זה הופך את החומרים המרוכבים של אלומינה-זירקוניה לעמידים בהרבה מזורקוניה מונוליטיים, הודות לעמידותם לספיגת מים באמצעות כימיספציה; זירקוניה מונוליטית יכולה לספוג מולקולות מים קוטביות מה שמוביל לפירוק בטמפרטורה נמוכה ובסופו של דבר להתמוטטות לאחר שימוש ארוך טווח.

ZTA, מִצַד שֵׁנִי, תוכנן במיוחד כדי להקל על הטרנספורמציה טטרגונלית-למונוקלינית זו באמצעות תכונות מבניות ותוספים כימיים. CeramTec משווקת את Biolox Delta ZTA כדוגמה; תכשיר זה מכיל איטריה וסטרונציום אלומינאט כדי להקל על מנגנוני התקשות בתוך שלב הזירקוניה שלו, וכתוצאה מכך יש לו פחות סיכון לפירוק בטמפרטורה נמוכה תוך עמידה בסביבות טמפרטורות גבוהות.

עמידות בפני קורוזיה

קרמיקת ZTA מציעה עמידות גבוהה בפני קורוזיה על פני מקבילות אלומינה ולכן ניתן להשתמש בציוד הכפוף לסביבות קשות. יֶתֶר עַל כֵּן, ZTA יכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר תוך מתן יציבות כימית גדולה יותר.

Garvie et al (1975) הוכיח כי הוספה 10-20% זירקוניה לא מיוצבת יכולה לשפר מאוד את הקשיחות בהשוואה לאלומינה, באמצעות הקשחת טרנספורמציה. תהליך זה מתרחש כאשר משקעים מטה-יציבים טטראגונליים מפוזרים דק משתנים לזירקוניה מונוקלינית תחת לחץ וגורמים להתרחבות נפח שדוחסת סדקים ומאטה או מפסיקה את התפשטותם.

מנגנון זה דומה לזה של מתחים הנגרמים על ידי עיוותים; אוּלָם, על מנת לגרום לשינויי פאזה שדה הלחץ חייב להיות גדול מספיק; עבור סדקים בדגימות ZTA אנרגיה זו מגיעה ממתח כיפוף באתרי שברים.

עמידות בחום

Zirconia Toughened Alumina מתגאה בנקודת התכה גבוהה במיוחד ועמידות בפני קורוזיה, מה שהופך אותו לחומר האידיאלי עבור ציוד החשוף לעתים קרובות לטמפרטורות גבוהות. יֶתֶר עַל כֵּן, לגרסה זו יש התנגדות חיכוך גדולה יותר מאלומינה רגילה, עוזר להפחית את הבלאי בציוד החשוף לרמות גבוהות יותר של אנרגיה קינטית.

קרמיקת ZTA נוצרת באמצעות טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח של חלקיקי זירקוניה טטראגונליים למטריצת אלומינה, יצירת מתחי לחיצה בתוכם המונעים התפשטות סדקים, הגדלת החוזק והקשיחות תוך מתן עמידות בפני זעזועים תרמיים ללא שבר או סדקים. הם מתהדרים בעמידות בפני זעזועים תרמיים מעולה; התנגדות לשינויים מהירים בטמפרטורה ללא שבר או פיצוח תחת לחץ.

לאלומינה מוקשחת זירקוניה יש שימושים רבים בתעשיות מרובות בשל מערך המאפיינים העצום שלה. הנדסת מכונות משתמשת בו עבור רכיבי משאבה ואטמים; עיבוד מוליכים למחצה מנצל אותו בשל היציבות והחוזק התרמית שלו; תעופה וחלל, תעשיות הרכב והכוח משתמשות בו כחלקי מנוע בשל עמידותו בפני קורוזיה וכימיקלים קשים; זה אפילו יכול לעמוד בעוצמות כיפוף גבוהות עבור השתלות שיניים!