Cirkonijev oksid i aluminijev oksid zajedno daju cirkonij kaljenu glinicu (ZTA), izuzetan materijal u mnogim primjenama. Mehanička svojstva, snaga, žilavost loma, elastičnost, tvrdoća i otpornost na trošenje visoko su cijenjeni u ovom kompozitnom keramičkom materijalu koji pripada klasi AZ kompozita. ZTA je postao preferirani izbor za visoku mehaničku čvrstoću, otpornost na toplinu i otpornost na koroziju.
Dekodiranje sastava i strukture
Između ostaloga, Cirkonijeva kaljena glinica sastoji se od zrna cirkonijevog oksida jednoliko raspoređenih unutar matrice glinice. Normalno, ovo uključuje 10-20% volumen ZrO2 u glinici. Ovisno o njihovim omjerima, mješavine sastojaka pridonose keramici s posebnim značajkama ovisno o određenoj primjeni.
Building Blocks: Aluminij i cirkonij
Glavne komponente koje se miješaju u ZTA su glinica i cirkonij. Štoviše, ortopedski implantati koriste ovaj keramički materijal poznat kao aluminijev oksid (Al2O3) u povijesti zbog dobre biokompatibilnosti kao i velike mehaničke čvrstoće i otpornosti na lom.
Još jedno izvanredno svojstvo cirkonijevog oksida je njegova niska stopa korozije, kao i dobra kemijska stabilnost i visoka mehanička čvrstoća. Njegov Youngov modul je istog reda veličine kao i legure nehrđajućeg čelika.
Kako se izrađuje
Proizvodnja ZTA znači stvaranje zrna cirkonijevog oksida tetragonalne faze jednoliko raspoređenih u matrici aluminijevog oksida. Koncentracija naprezanja na vrhu pukotine može promijeniti tetragonalnu kristalnu strukturu u monoklinsku, što dovodi do povezanog povećanja volumena cirkonijevog dioksida. Takvo proširenje volumena učinkovito poništava ili zaustavlja rast pukotina što dovodi do veće žilavosti i čvrstoće.
Mehanička svojstva ZrO2-Al2O3 keramike
Postoji širok raspon mehaničkih svojstava koja pokazuje ZTA uključujući superiornu tvrdoću od konvencionalnih aluminijevih oksida sa sličnim vrijednostima gustoće, veća čvrstoća na savijanje od konvencionalnog aluminijevog oksida i niži od konvencionalnog cirkonijevog oksida koeficijent linearnog toplinskog širenja (CLTE).
Cirkonijski kaljeni aluminij ima visoku mehaničku čvrstoću i otporan je na toplinu stoga ne korodira. Ispod su neke od nekretnina ZTA-e:
Vrijednost nekretnine
Kemijska formula Zr-Al2O3
Gustoća 4.1-4.38 g/cm^3
Tvrdoća 1750-2100 Gumb
Elastičnost 45-49 x 10^6 psi
Čvrstoća na savijanje 100-145 ksi
Poissonov omjer 0.26
Žilavost loma 5-7 MPa m^1/2
Koeficijent toplinskog širenja 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Toplinska vodljivost 20.0-21.0 W/mK
Otpornost na udarce 325 °C
Maksimalna radna temperatura 1650 °C
Primjena ZrO2-Al2O3 keramike
Cirkonijeva kaljena glinica koristi se u različitim primjenama kao što su one koje zahtijevaju visoku čvrstoću i otpornost na trošenje. To uključuje brtve ventila, rukavima, klipovi pumpe, mlaznice za prskanje i drugi industrijski dijelovi.
Biokompatibilnost ZTA
U raznim studijama, Prijavljeno je da ZTA ne proizvodi štetne reakcije tkiva nakon implantacije, što ga čini dobrim kandidatom za ortopedske nosive komponente. Osim toga, tvrdoća, žilavost i čvrstoća koju pokazuje cirkonij-aluminij keramika čine je prikladnom za ortopedske nosive komponente.
ZTA u artroplastici kuka
Bilo je značajnih razmatranja o keramici poput glinice, cirkonij i cirkonij kaljeni aluminij (ZTA) kao prikladni materijali u artroplastici kuka . Ove prednosti ZTA postignute su bez uključivanja nedostataka povezanih s itrijem stabiliziranim cirkonijevim oksidom koji pokazuje visoka mehanička svojstva ili glinicom sa svojom visokom inertnošću.
ZTA u artroplastici koljena
Uglavnom, dizajn keramičkih implantata za totalnu artroplastiku koljena (TKA) razvijeni su kako bi se riješili problemi alergijskih reakcija koje se mogu pojaviti kod pacijenata kada moderne komponente od titana ili legure kobalta i kroma otpuštaju čestice trošenja. Cirkonijski kaljeni aluminij (ZTA) Matrix Composite je vrhunski biomaterijal za takve primjene.
ZTA: Budućnost koja obećava
To uključuje kontinuirano istraživanje, kao i razvoj načina poboljšanja atributa ZTA-a i njegove potencijalne upotrebe. Još jedan serijski obrađen cirkonski kaljeni aluminij dizajniran je s mehaničkim svojstvima u smislu čvrstoće na savijanje znatno manjim od onih iz komercijalno dostupnog Biolox® Delta. Još, kao što su keramički kompoziti od silicijevog nitrida koji su nedavno uvedeni u artroplastiku kuka također pokazuju veću čvrstoću od glinice. Budućnost je svijetla za ZTA s mnogim primjenama i vrhunskim svojstvima. Stoga, s tehnologijom koja se razvija, očekuje se da će ZTA biti temelj za nove koncepte na raznim frontama, posebice u biomedicini.