Allumina rinforzata con zirconio

Allumina rinforzata con zirconio (ZTA) è un materiale ceramico avanzato ampiamente utilizzato nelle guarnizioni delle valvole, boccole, componenti di pompe e utensili da taglio grazie alla sua resistenza e stabilità chimica – come evidenziato dalla sua capacità di sopportare carichi pesanti senza un degrado significativo.

ZTA vanta un'impressionante resistenza agli shock termici e può sopportare improvvisi sbalzi di temperatura, così come rapidi sbalzi di temperatura. Continua a leggere per saperne di più sulle sue proprietà meccaniche!

Durezza

La zirconia aggiunta ad una matrice di allumina ne aumenta la durezza, tenacità alla frattura e resistenza alla flessione, aumentando al contempo la resistenza all'usura e all'erosione. Il meccanismo tipicamente coinvolto è la trasformazione di fase seguita dalla formazione di microfessure, ma può anche coinvolgere le teorie della teoria dello stress, se applicabili.

I precipitati di zirconio tetragonale metastabile che formano una dispersione fine all'interno di una matrice di allumina possono subire una trasformazione spontanea in forme monocline quando il loro vincolo viene sollevato durante la propagazione della cricca, fornendo energia contro i campi di stress che guidano la propagazione delle cricche.

La ceramica ZTA ha una resistenza alla frattura e una durezza superiori rispetto ad altre ceramiche tecniche a base di ossido, così come il doppio della resistenza alla fatica ciclica di Y-TZP. Come tale, le sue proprietà lo rendono adatto ad applicazioni che richiedono estrema resistenza all'usura, inerzia chimica e basso attrito nonché elevata resistenza e rigidità.

Resistenza alla flessione

La ceramica ZTA può essere realizzata alterando il rapporto di zirconio stabilizzato con ittrio (Y-TZP) all'interno di una matrice di allumina mediante pressatura isostatica a caldo, per ottimizzare le combinazioni di durezza-resistenza alla frattura-resistenza alla flessione che si traducono in una resistenza alla fatica ciclica senza precedenti, superiore alla ceramica tecnica più avanzata.

L'Y-TZP metastabile in una matrice di allumina determina la formazione di agglomerati di fase di trasformazione tetragonale-monoclina che aumentano la tenacità alla frattura attraverso l'irrigidimento della trasformazione di fase (Clausen 1976). Attraversando preferibilmente le fessure, questi agglomerati di transizione comprimeranno la zona antistante il fronte della fessura e ne ridurranno la progressione, in definitiva, aumentando la resistenza alla frattura.

Questa struttura del materiale ha portato alla creazione di compositi allumina-zirconio come BIOLOX Delta, ampiamente utilizzato per le sostituzioni totali dell'anca e altri componenti ortopedici portanti. Questo biomateriale ceramico presenta un'eccezionale resistenza all'usura, inerzia chimica a temperatura ambiente, resistenza agli shock termici ed eccellente inerzia chimica a tutte le temperature.

Resistenza alla corrosione

Chimicamente inerte e resistente alle alte temperature e all'usura, fornisce prestazioni superiori rispetto a 99 ceramica di allumina ed è anche più conveniente.

La zirconia vanta anche un'impressionante resistenza alla trazione, proprietà flessionali, elastiche e biocompatibilità – rendendolo ideale per usi medici come le sostituzioni dell'anca. A causa dell'incrudimento per trasformazione in condizioni di stress, le particelle di zirconio cambiano dalla forma tetragonale metastabile alla forma monoclina, aiutando a chiudere le crepe in modo più efficiente aumentando la resistenza alla frattura.

CeramTec (Biolox Delta) commercializza un composito di allumina-zirconio in cui la zirconia non stabilizzata rimane in fase tetragonale per gestire questa trasformazione e fornire l'attenuazione della punta della fessura e la deviazione della fessura, migliorare la tenacità della matrice di allumina. Il contenuto di zirconio del materiale può essere modificato mediante tecniche di preparazione e densificazione della polvere.

Resistenza allo shock termico

La zirconia aggiunta a una matrice di allumina primaria durante la sinterizzazione può migliorarne significativamente la resistenza e la tenacità, creando ciò che è noto come ZTA (Allumina rinforzata con zirconio), superando le prestazioni della normale ceramica di allumina sia nelle applicazioni meccaniche che in quelle antiusura.

L'allumina rinforzata con zirconio è nota per le sue proprietà eccezionali come l'elevata durezza a caldo e la resistenza all'estasi, inerzia chimica a temperatura ambiente, bassi tassi di dilatazione termica ed eccellente resistenza agli shock termici – proprietà ideali per la fresatura di componenti e parti soggette ad usura che richiedono meccanismi di raffreddamento.

CeramTec commercializza uno ZTA chiamato Biolox delta che presenta una matrice di allumina con particelle Y-TZP disperse (17 peso/peso%) e piastrine di alluminato di stronzio (0.5 peso/peso%), fornendo una combinazione efficace di meccanismi di trasformazione di fase da tetragonale a monoclina e meccanismi di deflessione delle cricche per fornire una migliore tenacità, il che lo rende ideale per le procedure di PTA primarie su superfici di appoggio femorali.

Isolamento elettrico

L'allumina rinforzata con zirconio può resistere allo shock termico senza rompersi o rompersi in caso di sbalzi di temperatura, grazie alle particelle di allumina disperse all'interno della sua matrice che assorbono l'energia termica e generano tensioni di compressione che prevengono le fratture.

La ceramica di allumina-zirconio è più densa della sua controparte in zirconio puro, rendendolo ideale per applicazioni di isolamento elettrico. Inoltre, la sua minore dilatazione termica rispetto alla zirconia lo rende adatto per parti che necessitano di raffreddamento.

L’indurimento per trasformazione dei compositi allumina-zirconio offre ulteriori vantaggi; Qui, i grani di zirconio in una matrice di allumina subiscono una fase metastabile in cui i loro grani subiscono la trasformazione da strutture tetragonali a strutture monocline, diminuendo così le fessurazioni indotte dallo stress aumentando la resistenza all'abrasione e all'impatto. La zirconia rinforzata con allumina si verifica tipicamente attraverso una reazione piroforica che coinvolge lo zirconio(IV) ossido ottaidrato, Nitrato di alluminio nanoidrato trietilammina e HNO3(Acido nitrico); l’aumento delle dimensioni delle particelle favorisce ulteriormente la dispersione dei grani di zirconio metastabili.