Allumina rinforzata con zirconio per applicazioni avanzate
ZTA è un materiale composito di allumina-zirconio, contraddistinto da resistenza e tenacità superiori. Prodotto attraverso la trasformazione indotta dallo stress di fini particelle di zirconio tetragonale in una matrice di allumina.
Le ceramiche di zirconio sono materiali tecnici straordinari, vantando un'eccellente durezza, stabilità termica, resistenza all'usura e ambienti operativi in cui molte altre ceramiche non possono funzionare. I metalli e la plastica semplicemente non possono essere paragonati. Inoltre, Le ceramiche di zirconio mostrano anche una durezza eccezionale per la realizzazione di utensili.
Forza
ZTA si distingue tra i materiali ceramici per la sua eccezionale resistenza e tenacità, resistenza all'usura, inerzia chimica, basso coefficiente di attrito, elevato rapporto durezza/rigidità e coefficiente di dilatazione termica relativamente basso rispetto alla maggior parte degli altri – rendendolo un materiale ideale per applicazioni come utensili da taglio. Inoltre, la sua biocompatibilità rende inoltre ZTA una scelta materiale interessante.
ZTA è definito dalla sua distribuzione altamente uniforme di particelle di zirconio tetragonali all'interno di una matrice di allumina. Ciò viene ottenuto utilizzando sofisticate tecniche di miscelazione come la macinazione a sfere e la macinazione ad attrito ad alta energia; una volta miscelate insieme, le polveri possono quindi essere trasformate nel componente previsto utilizzando la pressatura a secco, pressatura isostatica, tecniche di stampaggio ad iniezione o di estrusione.
La zirconio dispersa in una matrice di allumina migliora la resistenza alla frattura assorbendo e dissipando l'energia della cricca, noto come rafforzamento della trasformazione. La zirconia contribuisce anche alla resistenza all'usura producendo sollecitazioni di compressione che impediscono la propagazione delle cricche – noto come autoaffilatura – rendendo ZTA una scelta eccellente di materiale per le mole.
Robustezza
Allumina rinforzata con zirconio (ZTA) la ceramica vanta una resistenza e una resistenza alla frattura impressionanti, rendendoli perfetti per l'uso in una vasta gamma di applicazioni e ambienti. Questa notevole resilienza deriva dalla trasformazione di fase fine indotta dallo stress, particelle di zirconio tetragonali uniformemente disperse all'interno di una matrice di allumina; lo stress induce la trasformazione di fase per produrre reti di microfessure di zirconio-allumina che assorbono l'energia di propagazione delle cricche ritardandone efficacemente la diffusione e aumentando la resistenza alla frattura (Clausen 1976).
ZTA si distingue per la sua eccezionale resistenza agli shock termici. Grazie alla sua combinazione unica di composizione della fase tetragonale-monoclina, questa ceramica può resistere a rapidi sbalzi di temperatura senza rompersi o rompersi, mentre la trasformazione indotta dallo stress della zirconia nella sua forma tetragonale metastabile genera sollecitazioni di compressione che contrastano la formazione di crepe all'interno della sua matrice di allumina e aumentano significativamente la tenacità, aumentando così ulteriormente le prestazioni di ZTA.
ZTA non vanta solo i suoi punti di forza, struttura tetragonale-monoclina ed elevata tenacità alla frattura, ma anche un basso coefficiente di dilatazione termica (CTE), rendendolo adatto per applicazioni che richiedono temperature estreme o ambienti in cui la stabilità dimensionale è fondamentale, come componenti di precisione o pacchetti elettronici.
ZTA si distingue tra i materiali per impianti medici grazie alla sua combinazione di resistenza chimica, proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione sotto sforzo in acqua o fluidi corporei, rendendolo un ottimo candidato per impianti medici come teste femorali ortopediche e rivestimenti acetabolari. Il biomateriale BioLOX Delta è uno di questi esempi; ampiamente utilizzato durante gli interventi di chirurgia ortopedica per entrambe le applicazioni.
Resistenza alla corrosione
ZTA vanta proprietà superiori sia dell'allumina che della zirconia, rendendolo altamente resistente sia agli attacchi chimici che all'usura, rendendolo perfetto per applicazioni che coinvolgono ambienti soggetti a corrosione o attrito ripetitivo o stress meccanico.
La combinazione della durezza dell'allumina con la tenacità della zirconio si traduce in eccellenti proprietà tribologiche che garantiscono un'eccellente resistenza all'usura in componenti con carichi pesanti e uso a lungo termine, come gli impianti ortopedici, utensili da taglio e componenti resistenti all'usura utilizzati nella gestione dei fluidi (guide del filo, cuscinetti, ugelli ecc). Questa combinazione è particolarmente applicabile in contesti medici e industriali come gli impianti ortopedici, utensili da taglio o gestione dei fluidi (guidafilo cuscinetti ugelli ecc).
La maggiore resistenza alla frattura di ZTA può essere attribuita alle particelle di zirconio finemente distribuite nella sua matrice di allumina. Quando le crepe iniziano a propagarsi, quando la loro energia aumenta e si propaga ulteriormente, questi grani di zirconia tetragonale subiscono una trasformazione di fase per assorbirla e dissiparla come parte di un meccanismo di rafforzamento della trasformazione – migliorando così la resistenza alla frattura di questo materiale.
Il successo nella produzione della ceramica ZTA risiede nell'utilizzo di polveri di zirconio e allumina di alta qualità prive di impurità. La sinterizzazione deve essere controllata per evitare la trasformazione spontanea della zirconia da tetragonale a monoclina durante il raffreddamento e per ridurre al minimo la formazione di fase monoclina metastabile che è suscettibile al chemisorbimento con le molecole d'acqua che porta alla degradazione a bassa temperatura nell'uso a lungo termine; Il processo di sinterizzazione della ceramica ZTA di Saint-Gobain ZirPro è stato creato appositamente per evitare tali fenomeni indesiderati. Fortunatamente, la ceramica ZTA della ceramica Saint-Gobain ZirPro è progettata specificamente per impedire che tali fenomeni si verifichino –
Stabilità termica
Allumina rinforzata con zirconio (ZTA) può resistere a rapidi cambiamenti di temperatura senza rompersi o rompersi, grazie alle particelle di zirconio disperse all'interno di una matrice di allumina che assorbono energia termica e creano sollecitazioni di compressione che prevengono fessurazioni e rotture. Perché ZTA assorbe l'energia termica in modo così efficace, questo materiale costituisce una scelta eccellente per applicazioni che richiedono resistenza alle alte temperature.
L'aggiunta di zirconio a una matrice di allumina può aumentare la tenacità alla frattura e contemporaneamente migliorare le proprietà meccaniche come robustezza e resistenza all'usura. L'aumento della tenacità alla frattura in ZTA è attribuibile alla trasformazione indotta dallo stress dalla fase tetragonale metastabile alla fase monoclina a temperatura ambiente; un effetto amplificato dalle dimensioni dei grani di zirconio più piccoli rispetto a quelli dell'allumina.
Gli stabilizzanti vengono spesso impiegati per preservare la fase tetragonale di zirconio nei materiali ZTA come Biolox Delta; Tuttavia, risultati simili possono essere ottenuti senza stabilizzanti in termini di distribuzione delle particelle e resistenza alla frattura.
Una combinazione di allumina e zirconio crea una ceramica avanzata che eccelle in termini di resistenza, tenacità alla frattura, elasticità e durezza – caratteristiche essenziali per applicazioni che richiedono prestazioni strutturali e resistenza alla corrosione. Le ceramiche ZTA tendono a sovraperformare 99% le ceramiche di allumina sono convenienti e soddisfano al tempo stesso le esigenze applicative specifiche in modo più efficiente; il loro rapporto può anche essere personalizzato in modo specifico.