L'ossido di zirconio e l'ossido di alluminio messi insieme producono l'allumina rinforzata con zirconio (ZTA), un materiale eccezionale in molte applicazioni. Proprietà meccaniche, forza, tenacità alla frattura, elasticità, durezza e resistenza all'usura sono molto apprezzate in questo materiale ceramico composito che appartiene alla classe dei compositi AZ. ZTA è diventata la scelta preferita per l'elevata resistenza meccanica, resistenza termica e resistenza alla corrosione.
Decodificare la composizione e la struttura
Tra le altre cose, L'allumina rinforzata con zirconio è costituita da grani di zirconio dispersi uniformemente all'interno di una matrice di allumina. Normalmente, questo include 10-20% volume di ZrO2 nell'allumina. A seconda delle loro proporzioni, le miscele costituenti contribuiscono a creare ceramiche con caratteristiche specifiche a seconda della particolare applicazione.
Elementi costitutivi: Allumina e Zirconia
I componenti principali che vengono miscelati per formare ZTA sono allumina e zirconio. Inoltre, gli impianti ortopedici utilizzano questo materiale ceramico noto come ossido di alluminio (Al2O3) nella storia grazie alla sua buona biocompatibilità nonché alla sua grande resistenza meccanica e resistenza alla frattura.
Un'altra proprietà eccezionale della zirconia è il basso tasso di corrosione, nonché una buona stabilità chimica e un'elevata resistenza meccanica. Il suo modulo di Young è dello stesso ordine di grandezza delle leghe di acciaio inossidabile.
Come è fatto
Produrre ZTA significa creare grani di zirconio in fase tetragonale distribuiti uniformemente su una matrice di allumina. Una concentrazione di stress sulla punta della cricca può alterare una struttura cristallina tetragonale in una struttura monoclina, portando così ad un aumento associato del volume della zirconia. Tale espansione di volume inverte o arresta efficacemente la crescita delle cricche portando ad una maggiore tenacità e resistenza.
Proprietà meccaniche delle ceramiche ZrO2-Al2O3
ZTA presenta un'ampia gamma di proprietà meccaniche, inclusa una durezza superiore rispetto alle allumine convenzionali con valori di densità simili, maggiore resistenza alla flessione rispetto alle allumine convenzionali e coefficiente di dilatazione termica lineare inferiore rispetto alle zirconie convenzionali (CLTE).
L'allumina rinforzata con zirconio ha un'elevata resistenza meccanica ed è resistente termicamente, quindi non si corrode. Di seguito sono elencate alcune delle proprietà di ZTA:
Valore della proprietà
Formula chimica Zr-Al2O3
Densità 4.1-4.38 g/cm^3
Durezza 1750-2100 Pulsante
Elasticità 45-49 x 10^6 PSI
Resistenza alla flessione 100-145 ksi
Rapporto di Poisson 0.26
Resistenza alla frattura 5-7 MPam^1/2
Coefficiente di dilatazione termica 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Conducibilità termica 20.0-21.0 W/mK
Resistenza agli urti 325 °C
Temperatura massima di lavoro 1650 °C
Applicazioni della ceramica ZrO2-Al2O3
L'allumina rinforzata con zirconio viene utilizzata in varie applicazioni come quelle che richiedono elevata robustezza e resistenza all'usura. Questi includono le guarnizioni delle valvole, maniche, pistoni della pompa, ugelli di spruzzatura e altre parti industriali.
Biocompatibilità di ZTA
In vari studi, È stato segnalato che ZTA non produce reazioni avverse ai tessuti al momento dell'impianto, rendendolo quindi un buon candidato per componenti portanti ortopedici. Inoltre, la durezza, la tenacità e la resistenza esibite dalle ceramiche in zirconio-allumina le rendono adatte per componenti ortopedici portanti.
ZTA nell'artroplastica dell'anca
Ci sono state considerevoli discussioni sulla ceramica come l'allumina, zirconio e allumina rinforzata con zirconio (ZTA) come materiali idonei nell’artroplastica dell’anca . Questi vantaggi di ZTA sono stati ottenuti senza dover incorporare gli svantaggi associati alla zirconia stabilizzata con ittrio che presenta elevate proprietà meccaniche o all'allumina con la sua elevata inerzia.
ZTA nell'artroplastica del ginocchio
Soprattutto, modelli di impianti in ceramica per l'artroplastica totale del ginocchio (TKA) sono stati sviluppati per gestire il problema delle reazioni allergiche che possono verificarsi nei pazienti quando i moderni componenti in titanio o leghe di cobalto-cromo rilasciano particelle di usura. L'allumina rinforzata con zirconio (ZTA) Matrix Composite è un biomateriale all'avanguardia per tali applicazioni.
ZTA: Il futuro promettente
Ciò comporta una ricerca continua e uno sviluppo su modi per migliorare le caratteristiche di ZTA e i suoi potenziali usi. Un'altra allumina rinforzata con zirconio lavorata in batch è stata progettata con proprietà meccaniche in termini di resistenza alla flessione sostanzialmente inferiori a quelle del Biolox® Delta disponibile in commercio. Un altro, come i compositi ceramici al nitruro di silicio introdotti di recente nell'artroplastica dell'anca, presentano anche una resistenza maggiore rispetto all'allumina. Il futuro è luminoso per ZTA con molte applicazioni e proprietà superiori. Perciò, con la tecnologia in evoluzione, si prevede che la ZTA costituirà la base per nuovi concetti su vari fronti soprattutto nel campo della biomedicina.