Tenacità avanzata per applicazioni industriali

Allumina rinforzata con zirconio (ZTA) i componenti in ceramica combinano la durezza e la resistenza dell'allumina con la resistenza alla frattura superiore della zirconia per offrire prestazioni e longevità per le applicazioni industriali.

La trasformazione indotta dallo stress di sottili particelle di zirconio tetragonale incorporate in una matrice di allumina porta a materiali ZTA con resistenza e tenacità superiori, adatto per l'uso in vari ambienti difficili.

Robustezza

I materiali ZTA combinano la durezza dell'allumina con la tenacità della zirconia per una resistenza senza pari all'usura e all'abrasione. Questo effetto è reso possibile dall’indurimento per trasformazione indotto dallo stress: quando stressato, le particelle di zirconio passano dalla fase tetragonale metastabile alla forma monoclina stabile; l'espansione del volume causata da questo cambiamento strutturale aiuta a chiudere eventuali crepe all'interno di una matrice di allumina e ad aumentare significativamente la tenacità.

ZTA contiene piastrine di zirconio che si nucleano in una matrice di allumina durante la sinterizzazione, migliorare la tenacità e la resistenza alla frattura aumentando la tenacità alla frattura, creando un materiale con maggiore resistenza alla flessione rispetto a Y-TZP e fino al doppio della sua resistenza alla fatica ciclica. Questa combinazione di tenacità dell'allumina combinata con la resistenza della zirconio rende ZTA una scelta di materiale eccellente per applicazioni industriali che richiedono resistenza ai danni.

Durabilità

Allumina rinforzata con zirconio (ZTA) vanta eccezionali resistenze alla flessione e alla compressione, con bassa dilatazione termica equivalente a quella dell'allumina e eccezionali proprietà di resistenza all'usura.

L'allumina rinforzata con zirconio viene creata aggiungendo grani di zirconia tetragonali tramite trasformazione indotta da stress a una matrice di allumina dura, inglobandoli nella sua struttura e limitandone la trasformazione ad aree locali invece di diffonderla ovunque.

Questo meccanismo rende i compositi allumina-zirconio molto più durevoli della zirconia monolitica grazie alla loro resistenza all’assorbimento di acqua attraverso il chemisorbimento; la zirconia monolitica può assorbire molecole di acqua polare che portano alla degradazione a bassa temperatura e alla fine alla rottura dopo un uso a lungo termine.

ZTA, d'altra parte, è specificamente progettato per facilitare questa trasformazione da tetragonale a monoclina attraverso caratteristiche strutturali e additivi chimici. CeramTec commercializza ad esempio Biolox Delta ZTA; questa formulazione contiene ittrio e alluminato di stronzio per facilitare i meccanismi di indurimento all'interno della sua fase di zirconio e di conseguenza presenta meno rischi di degradazione alle basse temperature pur resistendo ad ambienti ad alta temperatura.

Resistenza alla corrosione

Le ceramiche ZTA offrono una resistenza alla corrosione superiore rispetto alle loro controparti in allumina e possono quindi essere utilizzate in apparecchiature soggette ad ambienti difficili. Inoltre, ZTA può resistere a temperature più elevate offrendo allo stesso tempo una maggiore stabilità chimica.

Garvie et al (1975) ha dimostrato che aggiungendo 10-20% la zirconia non stabilizzata può migliorare notevolmente la tenacità rispetto all'allumina, attraverso il rafforzamento della trasformazione. Questo processo si verifica quando i precipitati metastabili tetragonali finemente dispersi si trasformano in zirconia monoclina sotto stress provocando un'espansione del volume che comprime le crepe e ne rallenta o arresta la propagazione.

Questo meccanismo assomiglia a quello delle sollecitazioni indotte dalla deformazione; Tuttavia, per provocare cambiamenti di fase il campo di stress deve essere sufficientemente ampio; per le crepe nei campioni ZTA questa energia proviene dalle sollecitazioni di flessione nei siti di frattura.

Resistenza al calore

L'allumina rinforzata con zirconio vanta un punto di fusione e una resistenza alla corrosione eccezionalmente elevati, rendendolo il materiale ideale per apparecchiature frequentemente esposte ad alte temperature. Inoltre, questa variante ha una maggiore resistenza all'attrito rispetto all'allumina standard, contribuendo a ridurre l'usura delle apparecchiature esposte a livelli più elevati di energia cinetica.

Le ceramiche ZTA vengono create attraverso la trasformazione indotta dallo stress di particelle di zirconio tetragonali in una matrice di allumina, creando tensioni di compressione al loro interno che impediscono la propagazione delle cricche, aumentando sia la resistenza che la tenacità fornendo allo stesso tempo resistenza agli shock termici senza fratture o screpolature. Vantano un'ottima resistenza agli shock termici; resistere a rapidi cambiamenti di temperatura senza fratture o screpolature sotto stress.

L'allumina rinforzata con zirconio ha molti usi in molteplici settori grazie al suo vasto insieme di proprietà. L'ingegneria meccanica lo utilizza per componenti e guarnizioni di pompe; l'elaborazione dei semiconduttori lo utilizza grazie alla sua stabilità termica e resistenza; aerospaziale, l'industria automobilistica e quella energetica lo utilizzano come parti del motore grazie alla sua resistenza alla corrosione e agli agenti chimici aggressivi; può anche sopportare elevate resistenze alla flessione per gli impianti dentali!