Cirkonijski kaljeni aluminij za napredne primjene

ZTA je kompozitni materijal od aluminijevog oksida i cirkonija, odlikuje se vrhunskom snagom i žilavošću. Proizvedeno naprezanjem izazvanom transformacijom finih tetragonalnih čestica cirkonijevog oksida u matrici aluminijevog oksida.

Cirkonska keramika je izvanredan tehnički materijal, odlikuje se izvrsnom tvrdoćom, toplinska stabilnost, otpornost na habanje i radna okruženja u kojima mnoge druge keramike ne mogu raditi. Metali i plastika jednostavno se ne mogu usporediti. Nadalje, cirkonij keramika također pokazuje izvanrednu tvrdoću za izradu alata.

Snaga

ZTA se među keramičkim materijalima ističe izuzetnom čvrstoćom i žilavošću, otpornost na trošenje, kemijska inertnost, nizak koeficijent trenja, visok omjer tvrdoće/krutosti i relativno nizak koeficijent toplinske ekspanzije u usporedbi s većinom drugih – što ga čini idealnim materijalom za primjene kao što su alati za rezanje. Nadalje, njegova biokompatibilnost također čini ZTA privlačnim izborom materijala.

ZTA je definiran svojom vrlo ujednačenom raspodjelom tetragonalnih čestica cirkonijevog oksida unutar matrice aluminijevog oksida. To se postiže sofisticiranim tehnikama miješanja kao što je kuglično mljevenje i visokoenergetsko atricijsko mljevenje; nakon što se pomiješaju zajedno, prašci se zatim mogu oblikovati u namjeravanu komponentu korištenjem suhog prešanja, izostatičko prešanje, tehnike injekcijskog prešanja ili ekstruzije.

Cirkonij raspršen u matrici aluminijevog oksida poboljšava otpornost na lom upijanjem i raspršivanjem energije pukotine, poznat kao transformacijsko ojačavanje. Cirkonij također pridonosi otpornosti na trošenje stvarajući tlačna naprezanja koja sprječavaju širenje pukotina – poznat kao samooštrenje – što ZTA čini izvrsnim izborom materijala za brusne ploče.

Žilavost

Cirkonijski kaljeni aluminij (ZTA) keramika se može pohvaliti impresivnom čvrstoćom i otpornošću na lom, što ih čini savršenima za korištenje u nizu aplikacija i okruženja. Ova izvanredna otpornost dolazi od fazne transformacije finog materijala izazvane stresom, jednoliko raspršene tetragonalne čestice cirkonijevog oksida raspršene unutar matrice aluminijevog oksida; stres inducira faznu transformaciju kako bi se proizvele mreže mikropukotina od cirkonij-aluminijevog oksida koje apsorbiraju energiju širenja pukotine učinkovito odgađajući njihovo širenje dok povećava otpornost na lom (Clausen 1976).

ZTA se ističe svojom izvanrednom otpornošću na toplinski udar. Zahvaljujući svojoj jedinstvenoj kombinaciji sastava tetragonalno-monoklinske faze, ova keramika može izdržati brze promjene temperature bez pucanja ili lomljenja, dok naprezanjem izazvana transformacija cirkonijevog oksida u njegovu metastabilnu tetragonalnu formu stvara tlačna naprezanja koja sprječavaju stvaranje pukotina unutar njegove matrice aluminijevog oksida i značajno povećavaju žilavost čime se dodatno povećava izvedba ZTA-a.

ZTA se ne može pohvaliti samo svojom snagom, tetragonalno-monoklinska struktura i visoka lomna žilavost, ali i nizak koeficijent toplinskog rastezanja (CTE), što ga čini prikladnim za primjene koje zahtijevaju ekstremne temperature ili okruženja gdje je stabilnost dimenzija ključna, kao što su precizne komponente ili elektronički paketi.

ZTA se ističe među materijalima za medicinske implantate zbog svoje kombinacije otpornosti na kemikalije, mehanička svojstva i otpornost na koroziju potpomognutu stresom u vodi ili tjelesnim tekućinama, što ga čini glavnim kandidatom za medicinske implantate kao što su ortopedske glave femura i acetabularne obloge. BioLOX Delta biomaterijal je jedan takav primjer; intenzivno se koristi tijekom ortopedskih operacija za obje primjene.

Otpornost na koroziju

ZTA se može pohvaliti vrhunskim svojstvima glinice i cirkonijevog oksida, što ga čini vrlo otpornim na kemijske napade i habanje, što ga čini savršenim za aplikacije koje uključuju okruženja sklona koroziji ili ponavljajuće trenje ili mehanički stres.

Kombinacija tvrdoće aluminijevog oksida s žilavošću cirkonijevog oksida rezultira izvrsnim tribološkim svojstvima koja čine izvrsnu otpornost na habanje u komponentama s velikim opterećenjem i dugotrajnom uporabom, kao što su ortopedski implantati, alati za rezanje i komponente otporne na habanje koje se koriste u upravljanju tekućinama (vodilice niti, ležajevi, mlaznice itd). Ova kombinacija je posebno primjenjiva u medicinskim i industrijskim okruženjima poput ortopedskih implantata, alate za rezanje ili upravljanje tekućinom (vodilice navoja ležajevi mlaznice itd).

ZTA-ina poboljšana otpornost na lom može se pripisati njegovim fino raspoređenim česticama cirkonijevog oksida u matrici aluminijevog oksida. Kada se pukotine počnu širiti, kada se njihova energija povećava i širi dalje, ova tetragonalna zrnca cirkonijevog dioksida prolaze kroz faznu transformaciju kako bi ga apsorbirala i raspršila kao dio mehanizma transformacijske čvrstoće – čime se poboljšava otpornost na lom ovog materijala.

Uspjeh u proizvodnji ZTA keramike leži u korištenju cirkonijevog i aluminijevog oksida u prahu vrhunske kvalitete bez nečistoća. Sinteriranje se mora kontrolirati kako bi se izbjegla spontana tetragonalna u monoklinska transformacija cirkonijevog dioksida tijekom hlađenja i kako bi se smanjilo stvaranje metastabilne monoklinske faze koja je podložna kemisorpciji s molekulama vode što dovodi do degradacije na niskim temperaturama tijekom dugotrajne uporabe; Proces sinteriranja ZTA keramike Saint-Gobain ZirPro posebno je stvoren kako bi se izbjegle takve neželjene pojave. Srećom, ZTA keramika Saint-Gobain ZirPro ceramic dizajnirana je posebno za sprječavanje takvih pojava –

Toplinska stabilnost

Cirkonijski kaljeni aluminij (ZTA) može izdržati brze promjene temperature bez pucanja ili lomljenja, zahvaljujući česticama cirkonijevog oksida raspršenim unutar matrice aluminijevog oksida koje apsorbiraju toplinsku energiju i stvaraju tlačna naprezanja koja sprječavaju pucanje i kvar. Zato što ZTA tako učinkovito apsorbira toplinsku energiju, ovaj materijal čini izvrstan izbor za primjene koje zahtijevaju otpornost na visoke temperature.

Dodavanje cirkonijevog oksida u matricu aluminijevog oksida može povećati žilavost loma dok istovremeno poboljšava mehanička svojstva poput čvrstoće i otpornosti na trošenje. Povećana žilavost loma u ZTA može se pripisati transformaciji izazvanoj naprezanjem iz metastabilne tetragonalne faze u monoklinsku fazu na sobnoj temperaturi; učinak pojačan manjim veličinama zrna cirkonijevog oksida od onih u glinici.

Stabilizatori se često koriste za očuvanje tetragonalne cirkonijeve faze u ZTA materijalima kao što je Biolox Delta; međutim, slični rezultati mogu se postići i bez stabilizatora u smislu raspodjele čestica i žilavosti loma.

Kombinacija glinice i cirkonijevog oksida stvara naprednu keramiku koja se ističe čvrstoćom, žilavost loma, elastičnost i tvrdoća – karakteristike bitne za primjene koje zahtijevaju strukturnu izvedbu i otpornost na koroziju. ZTA keramika ima tendenciju nadmašiti 99% aluminijeva keramika koja je isplativa dok učinkovitije ispunjava specifične potrebe primjene; njihov se omjer može čak i posebno prilagoditi.