L'allumina rinforzata con zirconio ha dimostrato le sue proprietà meccaniche superiori rispetto alla zirconia monolitica, compresa la tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione. La stabilità di ZTA deriva dalla sua fase matrice che protegge e limita la trasformazione dei grani di zirconio tetragonale, aiutandolo a resistere alla degradazione in condizioni idrotermali in vivo.
Resistenza alla flessione
Aggiungendo zirconio alla ceramica di allumina, viene creata l'allumina rinforzata con zirconio. Questo materiale presenta una resistenza alla flessione e una durata meccanica superiori nelle situazioni che lo richiedono, e resiste anche alla corrosione chimica e all'esposizione ai fluidi corporei.
L'allumina rinforzata con zirconio può resistere a rapide fluttuazioni di temperatura grazie alle sue particelle di zirconio disperse all'interno di una matrice di allumina che assorbe energia termica e crea sollecitazioni di compressione per prevenire fessurazioni, rendendolo adatto all'uso in varie applicazioni industriali come componenti di forni e motori a turbina a vapore.
Questa ceramica composita combina le straordinarie qualità dell'allumina e della zirconio per offrire maggiore robustezza e resistenza agli shock termici, con durezza superiore, resistenza alla flessione, tenacità alla frattura e resistenza all'usura che superano 99% allumina pura in termini di durezza, tenacità e resistenza all'usura.
Resistenza alla frattura
La zirconio migliora la resistenza alla frattura delle ceramiche di allumina attraverso l'indurimento per trasformazione. Quando viene colpito, la zirconia metastabile stabilizzata con ittrio si trasforma in strutture cristalline monocline che producono stress di compressione che impedisce la propagazione delle cricche.
L'allumina rinforzata con zirconio è un materiale ideale per la creazione di utensili da taglio grazie alla sua durezza, stabilità termica e resistenza all'attrito. Inoltre, le sue proprietà meccaniche superiori contribuiscono in modo significativo alla sua durata e affidabilità.
ZTA prodotto tramite gelcasting ha un'eccezionale combinazione di resistenza alla flessione, tenacità alla frattura, biocompatibilità e resistenza al calore/corrosione che lo rendono idoneo all’intervento di protesi d’anca. Attraverso i processi di gelcasting è anche possibile personalizzare i parametri di durezza-resistenza alla frattura-resistenza alla flessione modificando i livelli di carico solido dell'impasto liquido, spessore dello stampo o parametri della temperatura di sinterizzazione per massimizzare i risultati.
Curve sforzo-deformazione
Il materiale in allumina rinforzata con zirconio vanta robustezza e resistenza all'usura superiori, così come una rigidità eccezionale per sostenere carichi pesanti senza deformarsi sotto pressione. Inoltre, vanta un'eccellente resistenza agli shock termici che gli consentono di tollerare improvvisi sbalzi di temperatura senza subire degradi.
Il contenuto di zirconio oltre un certo limite aumenta il degrado dovuto all'invecchiamento attraverso microfessure create durante il raffreddamento dopo la sinterizzazione che fungono da vie preferenziali per la penetrazione dell'acqua nel materiale ceramico, portando alla formazione di microfessurazioni durante il raffreddamento che fungono da vie preferenziali per il suo ingresso e propagazione al suo interno. Al contrario, quando al di sotto di questa soglia le particelle di zirconio subiscono una trasformazione indotta dallo stress dalla fase tetragonale alla fase monoclina che riduce la degradazione dovuta all'invecchiamento.
Resistenza alla trazione
L'allumina rinforzata con zirconio è un materiale duro e durevole con eccellenti proprietà di resistenza all'usura e stabilità termica, rendendolo adatto a componenti che richiedono raffreddamento. Inoltre, Le superfici termicamente stabili come questa forniscono controllo termico e resistenza all'attrito, rendendole la scelta del materiale ideale.
Sotto stress, ZTA subisce una trasformazione di fase da tetragonale a monoclina che impedisce la propagazione delle cricche e aumenta la tenacità alla frattura, ma alcuni studi indicano che l’aumento della zirconia non stabilizzata porta a una ridotta resistenza alla trazione.
Le ceramiche ZTA tipicamente contengono 10%-20% zirconio, che ne consente la personalizzazione specifica per ogni applicazione. ZTA è biocompatibile, resistente alla temperatura, resistente alla corrosione, abbastanza resistente da resistere alla pressione, un'alternativa economica alla ceramica pura di zirconio e può resistere alle alte temperature senza degradarsi. I produttori di guarnizioni per valvole comunemente lo scelgono per la sua resistenza alla corrosione e le sue capacità di mantenimento della pressione – tutte qualità ideali per applicazioni di tenuta di valvole.
Forza d'impatto
L'allumina rinforzata con zirconio è altamente resistente alla corrosione e possiede un'eccezionale resistenza meccanica, rendendoli adatti per applicazioni che richiedono durezza e tenacità contemporaneamente. Inoltre, ZTA offre risparmi sui costi rispetto alla ceramica pura in zirconio.
La combinazione di allumina e zirconio crea una ceramica con maggiore resistenza alla flessione, tenacità alla frattura, e resistenza all'usura rispetto all'allumina pura. Può resistere a carichi e impatti più elevati e viene spesso utilizzato come aggiornamento rispetto all'allumina standard nei progetti che richiedono funzionalità aggiuntive.
L’inasprimento della trasformazione spiega questa maggiore forza; in condizioni di stress, le particelle di zirconio cambiano dalla forma tetragonale a quella monoclina e si espandono, comprimendo le crepe in una matrice di allumina e portando così a una maggiore resistenza alla flessione rispetto a YSZ (Figure 6c e d).
Resistenza alla corrosione
La combinazione di allumina e zirconio della ceramica ZTA offre una resistenza alla corrosione superiore rispetto alla ceramica pura 99% soli materiali di allumina, e ha una durezza superiore, tenacità alla frattura, resistenza alla flessione, e proprietà di durezza rispetto ai suoi concorrenti.
ZTA presenta un'eccezionale resistenza all'usura e all'abrasione e compatibilità chimica, rendendolo ideale per applicazioni industriali che richiedono elevata durabilità meccanica. Inoltre, la combinazione di materiali vanta un'eccellente resistenza agli shock termici consentendo rapidi cambiamenti di temperatura senza fessurazioni o rotture.
Le particelle di zirconio aggiunte a una matrice di allumina ne aumentano la resistenza alla frattura attraverso l'indurimento per trasformazione, un effetto causato dallo stress delle particelle di zirconio che cambiano da strutture cristalline tetragonali a monocline quando esposte a stress di compressione, producendo sollecitazioni di compressione che inibiscono la propagazione delle cricche e aumentano significativamente la sua tenacità alla frattura.
Resistenza allo shock termico
L'allumina rinforzata con zirconio è una ceramica avanzata che combina allumina e zirconio. Per creare ZTA, la zirconia viene introdotta nella matrice principale di allumina prima della sinterizzazione per una maggiore robustezza e resistenza agli shock termici rispetto alle tradizionali ceramiche di allumina; inoltre vanta una durezza maggiore, resistenza alla flessione, e densità rispetto alla sua controparte.
Il meccanismo di indurimento ZTA prevede la trasformazione di fase indotta dallo stress da strutture cristalline di particelle di zirconio tetragonali a monocline, aumentando la tenacità alla frattura proteggendolo allo stesso tempo da shock termici e abrasione meccanica. L'allumina rinforzata con zirconio è altamente biocompatibile e non si corrode rapidamente, rendendolo ideale per le guarnizioni delle valvole. Inoltre, la sua elevata resistenza alla flessione gli consente di resistere efficacemente alla pressione del corpo.