Napredna žilavost za industrijske primjene

Cirkonijski kaljeni aluminij (ZTA) keramičke komponente kombiniraju tvrdoću i čvrstoću aluminijevog oksida s cirkonijevom vrhunskom otpornošću na lom kako bi pružile performanse i dugovječnost za industrijske primjene.

Naprezanjem izazvana transformacija finih tetragonalnih čestica cirkonijeva oksida ugrađenih u matricu aluminijevog oksida dovodi do ZTA materijala vrhunske čvrstoće i žilavosti, pogodan za korištenje u raznim teškim okruženjima.

Žilavost

ZTA materijali kombiniraju tvrdoću glinice s žilavošću cirkonijevog oksida za neusporedivu otpornost na trošenje i abraziju. Ovaj učinak je moguć transformacijskim ojačavanjem uzrokovanim naprezanjem: kada je pod stresom, čestice cirkonija prelaze iz svoje metastabilne tetragonalne faze u stabilni monoklinski oblik; proširenje volumena uzrokovano ovom strukturnom promjenom pomaže zatvoriti sve pukotine unutar matrice glinice i značajno povećati žilavost.

ZTA sadrži cirkonijeve pločice koje se nukleiraju u matricu glinice tijekom sinteriranja, poboljšanje lomne žilavosti i čvrstoće uz povećanje lomne žilavosti, stvarajući materijal s većom čvrstoćom na savijanje od Y-TZP i do dvostruko veće od cikličke čvrstoće na zamor. Ova kombinacija žilavosti aluminijevog oksida u kombinaciji sa čvrstoćom cirkonijevog oksida čini ZTA izvrsnim izborom materijala za industrijske primjene koje zahtijevaju otpornost na oštećenja.

Izdržljivost

Cirkonijski kaljeni aluminij (ZTA) ima izvanrednu čvrstoću na savijanje i pritisak, s niskom toplinskom ekspanzijom koja je ekvivalentna glinici i izvanrednim svojstvima otpornosti na trošenje.

Cirkonijski kaljeni aluminijev oksid nastaje dodavanjem tetragonalnih zrna cirkonijevog oksida putem transformacije izazvane naprezanjem u matricu tvrdog aluminijevog oksida, zatvarajući ih u svoju strukturu dok ograničava njihovu transformaciju na lokalna područja umjesto da se šire svuda.

Ovaj mehanizam čini kompozite aluminijevog oksida i cirkonijevog oksida daleko izdržljivijima od monolitnog cirkonijevog oksida zbog njihove otpornosti na upijanje vode kroz kemisorpciju; monolitni cirkonij može apsorbirati polarne molekule vode što dovodi do degradacije na niskim temperaturama i eventualnog kvara nakon dugotrajne uporabe.

ZTA, s druge strane, je posebno dizajniran da olakša ovu tetragonalnu u monoklinsku transformaciju kroz strukturne značajke i kemijske dodatke. CeramTec prodaje Biolox Delta ZTA kao primjer; ova formulacija sadrži itrij i stroncijev aluminat kako bi se olakšali mehanizmi otvrdnjavanja unutar njegove cirkonijeve faze i posljedično ima manji rizik od degradacije na niskim temperaturama dok podnosi visoke temperature okruženja.

Otpornost na koroziju

ZTA keramika nudi superiornu otpornost na koroziju u usporedbi s aluminijevim oksidom i stoga se može koristiti u opremi izloženoj teškim uvjetima. Nadalje, ZTA može izdržati više temperature uz veću kemijsku stabilnost.

Garvie i sur (1975) pokazao je da dodavanje 10-20% nestabilizirani cirkonij može znatno povećati žilavost u usporedbi s glinicom, kroz transformacijsko očvršćavanje. Ovaj se proces događa kada se fino raspršeni tetragonalni metastabilni precipitati mijenjaju u monoklinski cirkonij pod stresom uzrokujući ekspanziju volumena koja sabija pukotine i usporava ili zaustavlja njihovo širenje.

Ovaj mehanizam nalikuje naprezanjima izazvanim deformacijom; međutim, da bi došlo do faznih promjena polje naprezanja mora biti dovoljno veliko; za pukotine u ZTA uzorcima ova energija dolazi od naprezanja savijanja na mjestima loma.

Otpornost na toplinu

Zirconia Toughened Alumina ima iznimno visoku točku taljenja i otpornost na koroziju, što ga čini idealnim materijalom za opremu koja je često izložena visokim temperaturama. Nadalje, ova varijanta ima veću otpornost na trenje od standardne glinice, pomaže smanjiti habanje opreme izložene višim razinama kinetičke energije.

ZTA keramika nastaje naprezanjem izazvanom transformacijom tetragonalnih čestica cirkonija u matricu aluminijevog oksida, stvarajući unutar njih tlačna naprezanja koja sprječavaju širenje pukotine, povećavajući čvrstoću i žilavost uz pružanje otpornosti na toplinski udar bez loma ili pucanja. Imaju izvrsnu otpornost na toplinski udar; otpornost na brze promjene temperature bez loma ili pucanja pod stresom.

Aluminij oksid ojačan cirkonijem ima mnoge namjene u više industrija zbog svog velikog niza svojstava. Strojarstvo ga koristi za komponente pumpi i brtve; obrada poluvodiča koristi ga zbog njegove toplinske stabilnosti i čvrstoće; zrakoplovstvo, automobilska i energetska industrija ga koriste kao dijelove motora zbog njegove otpornosti na koroziju i jake kemikalije; čak može izdržati i veliku čvrstoću na savijanje za zubne implantate!