Zirconia Toughened Alumina – חוזק משופר למצוינות תעשייתית

Zirconia Toughened Alumina (ZTA) היא קרמיקה יוצאת דופן, נבדל בקשיחות גבוהה ועמידות לשברים עקב חלקיקי זירקוניה מיוצבים איטריה המפוזרים דרך מטריצת אלומינה.

חומר זה יכול לעמוד בשינויי טמפרטורה מהירים מבלי להיסדק או להישבר, עמיד בפני קורוזיה כימית ומציע עמידות בפני זעזועים תרמיים מעולה.

עמידות בפני קורוזיה מעולה

קרמיקת ZTA מציעה איזון אידיאלי בין חוזק וערך, להיות חזק יותר ממוצרי אלומינה אך פחות יקר מזירקוניה טהורה. התכונות המכניות שלהם – קשיחות שבר, חוזק וקשיות כפיפה וכן עמידות בפני זעזועים תרמיים – להפוך אותם למתאימים לייצור כלים תעשייתיים כמו גלגלי חיתוך.

ZTA משיגה את תכונותיו המעולות הודות לתוספת של זירקוניה מיוצבת איטריה (YSZ) חלקיקים בתוך מטריצת אלומינה. כאשר הוא מפוזר באופן שווה לכל אורכו, YSZ עוזרת לייעל הן את הקשיחות-שבר והן את חוזק המתיחה של שני האלמנטים וכתוצאה מכך עמידות בפני שחיקה יוצאת דופן, אינרטיות כימית בטמפרטורת החדר ותכונות קשיות חמות / חוזק התפיסה עבור חומר קרמי יוצא דופן.

מוצרי ZTA’ תכונות מכניות תלויות במידה רבה בדרכי העיבוד שלהן לייצור אבקות, כולל טיפולי חום, שיטות חישול, טכניקות ייבוש ותהליכי סינטר וכן עיצוב מותאם עם תוספים שנוספו במהלך הייצור. לכל הגורמים הללו יש השפעה מיידית על חוזקם, תכונות גמישות וקשיות.

עמידות בפני הלם תרמית מעולה

קרמיקה של ZTA מציעה עמידות מצוינת בפני זעזועים תרמיים, מה שהופך אותם לבחירה מצוינת עבור יישומי תעופה וחלל הדורשים רמות גבוהות של חוזק, קְשִׁיחוּת, ואינריות כימית. כאשר מפוזר באופן אחיד בתוך מטריצת אלומינה ניתן לייעל את YSZ. קרמיקה מסוג זירקוניה-אלומינה מוקשחת בטרנספורמציה שאנו מציעים היא BIOLOX delta שניתן למצוא בשימוש עבור רכיבים נושאי עומס אורטופדיים כמו החלפות ירך.

טרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח ממבנה טטרגונל מט-יציב למבנה מונוקליני של YSZ מייצרת הרחבת נפח ומתיחת גזירה המונעת את התפשטות הסדקים, הגדלת קשיחות השבר ובו זמנית שיפור חוזק הכיפוף. הביצועים של קרמיקה מסוג אלומינה-YSZ מוקשחת תלויים בתנאי העיבוד כמו גם בסטוכיומטריה של תחמוצות המרכיבות בתהליך הסינטר.

תנאי סינטר מבוקרים בצורה גרועה עלולים לגרום לחוזק כיפוף נמוך ולהומוגניות ירודה של מטריצת אלומינה-YSZ, פוטנציאלי עקב לכידת אוויר או צבירה של חלקיקים. על ידי הוספת תוספים כגון תחמוצות איטריה או מגנזיום, ניתן להפחית את טמפרטורת הטרנספורמציה הטטראגונלית למונוקלינית ולשפר את תכונות הסינטר של זירקוניה.

עמידות בפני שחיקה מעולה

ZTA לא רק מצטיין במונחים של עמידות בפני זעזועים תרמיים ועמידות בפני קורוזיה, אך הוא גם עמיד מאוד בפני שחיקה בשל מנגנון מעטפת טרנספורמציה שלב טטראגונל-מונקליני. יֶתֶר עַל כֵּן, מחקרים במבחנה גילו שרכיבי ZTA פחות מועדים לפירוק הידרותרמי – משהו בעל משמעות עיקרית בקרמיקה של ראש הירך והכוס להחלפת מפרק הירך (כגון BIOLOX delta המיוצר על ידי CeramTec).

בדיקות בלאי מדומה שבוצעו על רכיבי ZTA העשויים מחומרים מרוכבים אלומינה-זירקוניה הניבו תוצאות מרשימות מבחינת עמידות בפני שחיקה, חוזק כיפוף וקשיות. דגימות ZTA שנחשפו למחזורים מרובים בסימולטור הירך הראו השפלה מינימלית עם חספוס משטח נמוך משמעותית מאשר רכיבי זירקוניה מונוליטיים.

רכיבי ZTA הוכחו כמתאימים ליישומים תובעניים בייצור רכב (כלי יצירה חמים וקרים, גלגלי סגירת קופסאות קפסטאן); תעשיית האנרגיה (מיסבים, תוספות פתחים ומוצאי מערבולת); עיבוד מזון (הומוגנית חלקי משאבה); ותעשיית האנרגיה. התכונות המכניות שלהם תלויות במשתנים רבים: מסלולי הכנה המשמשים להכנת אבקות; שיטות ייבוש המשמשות במהלך השרשור; טכניקות עיצוב שאומצו במהלך טכניקות סינטר; עיצוב מותאם; תוספים שנוספו ופיזור גודל החלקיקים בין היתר.

חוזק מעולה

קרמיקה של ZTA משתמשת בטרנספורמציה הנגרמת על ידי מתח כדי לשלב זירקוניה לתוך מטריצת אלומינה, הגדלת חוזק ועמידות לאורך זמן. זה הופך את ZTA לפתרון קרמי מצוין עבור יישומים תעשייתיים הדורשים קשיחות, עמידות בפני קורוזיה גבוהה, עמידות בפני זעזועים תרמיים וסובלנות לזעזועים תרמיים.

תחת מתח, משקעים מטא-יציבים טטראגונליים באלומינה קובית עוברים טרנספורמציה פתאומית לחלקיקים מונוקליניים אשר מגבירים את קשיחות השבר שלו על ידי יצירת שכבות משטח דחיסות הנצמדות לסדקים בתוך המטריצה ​​שלו..

התקשות טרנספורמציה היא תופעה המכונה התקשות שבר, כאשר קשיחות שבר מוגברת של אלומינה גורמת לאורך סדק קצר יותר, פחות קהות קראק, ושיפור אינטראקציות עם מיקרו-סדקים קיימים. זה מאפשר שילובי מיסבים קשיחים על קשיחים וקשים על רכים המשמשים בקרמיקה מודרנית ברמה רפואית כגון החלפות ירך. יֶתֶר עַל כֵּן, שתלי זירקוניה מיוצב איטריום הידועים בשם y-TZP מספקים הגנה מפני בלאי לאורך זמן.