Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu udowodnił swoje doskonałe właściwości mechaniczne w porównaniu z monolitycznym tlenkiem cyrkonu, w tym odporność na pękanie i wytrzymałość na zginanie. Stabilność ZTA wynika z fazy osnowy, która chroni i ogranicza transformację tetragonalnych ziaren tlenku cyrkonu, pomagając mu wytrzymać degradację w warunkach hydrotermalnych in vivo.
Wytrzymałość na zginanie
Poprzez dodanie tlenku cyrkonu do ceramiki z tlenku glinu, Powstaje tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu. Materiał ten charakteryzuje się doskonałą wytrzymałością na zginanie i trwałością mechaniczną w sytuacjach, które tego wymagają, a także jest odporny na korozję chemiczną i kontakt z płynami ustrojowymi.
tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu może wytrzymać szybkie wahania temperatury dzięki cząsteczkom tlenku cyrkonu rozproszonym w matrycy tlenku glinu, pochłaniającym energię cieplną i wytwarzającym naprężenia ściskające, aby zapobiec pękaniu, dzięki czemu nadaje się do stosowania w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak elementy pieców i silniki turbin parowych.
Ta ceramika kompozytowa łączy w sobie imponujące właściwości tlenku glinu i tlenku cyrkonu, aby zapewnić dodatkową wytrzymałość i odporność na szok termiczny, o doskonałej twardości, wytrzymałość na zginanie, odporność na pękanie i odporność na zużycie, które przewyższają 99% czysty tlenek glinu pod względem twardości, wytrzymałość i odporność na zużycie.
Odporność na pękanie
Tlenek cyrkonu zwiększa odporność na pękanie ceramiki z tlenku glinu poprzez hartowanie transformacyjne. Kiedy trafiony, metastabilny tlenek cyrkonu stabilizowany itrem przekształca się w jednoskośne struktury krystaliczne, które wytwarzają naprężenia ściskające, które zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięć.
Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu jest idealnym materiałem do tworzenia narzędzi skrawających ze względu na swoją twardość, stabilność termiczna i odporność na tarcie. Ponadto, jego doskonałe właściwości mechaniczne znacząco przyczyniają się do jego trwałości i niezawodności.
ZTA wytwarzany metodą odlewania żelowego charakteryzuje się wyjątkową kombinacją wytrzymałości na zginanie, odporność na pękanie, biokompatybilność i odporność na ciepło/korozję, dzięki czemu nadaje się do operacji wymiany stawu biodrowego. Dzięki procesom odlewania żelowego możliwe jest również dostosowanie parametrów twardości, wytrzymałości na pękanie i wytrzymałości na zginanie poprzez zmianę poziomów obciążenia zawiesiną stałą, grubość formy lub parametry temperatury spiekania, aby zmaksymalizować wyniki.
Krzywe naprężenia i odkształcenia
Materiał z tlenku glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu charakteryzuje się doskonałą wytrzymałością i odpornością na zużycie, a także wyjątkowa sztywność umożliwiająca wytrzymywanie dużych obciążeń bez odkształcania się pod naciskiem. Ponadto, charakteryzuje się doskonałą odpornością na szok termiczny, dzięki czemu może tolerować nagłe wahania temperatury bez ryzyka degradacji.
Zawartość tlenku cyrkonu powyżej pewnego limitu zwiększa degradację starzenia poprzez mikropęknięcia powstające podczas chłodzenia po spiekaniu, które stanowią preferowane drogi przenikania wody do materiału ceramicznego, co prowadzi do powstawania mikropęknięć podczas chłodzenia, które stanowią preferowane ścieżki jego wnikania i rozprzestrzeniania się w nim. Odwrotnie, poniżej tego progu cząstki tlenku cyrkonu przechodzą pod wpływem naprężenia przemianę z fazy tetragonalnej w fazę jednoskośną, co zmniejsza degradację starzenia.
Wytrzymałość na rozciąganie
Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu jest twardym i trwałym materiałem o doskonałej odporności na zużycie i właściwościach stabilności termicznej, dzięki czemu nadaje się do elementów wymagających chłodzenia. Dodatkowo, tego typu powierzchnie stabilne termicznie zapewniają kontrolę termiczną oraz opór tarcia, co czyni je idealnym wyborem materiału.
Pod wpływem stresu, ZTA ulega przemianie fazowej z tetragonalnej w jednoskośną, co zapobiega propagacji pęknięć i zwiększa odporność na pękanie, ale niektóre badania wskazują, że zwiększenie zawartości niestabilizowanego tlenku cyrkonu prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości na rozciąganie.
Ceramika ZTA zazwyczaj zawiera 10%-20% cyrkonia, co pozwala na dostosowanie go specjalnie do każdego zastosowania. ZTA jest biokompatybilny, odporny na temperaturę, odporny na korozję, wystarczająco mocny, aby wytrzymać nacisk, ekonomiczna alternatywa dla czystej ceramiki cyrkonowej i wytrzymuje wysokie temperatury bez degradacji. Producenci uszczelek zaworów często wybierają je ze względu na ich odporność na korozję i zdolność utrzymywania ciśnienia – wszystkie cechy idealne do zastosowań w uszczelnieniach zaworów.
Siła uderzenia
Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu jest wysoce odporny na korozję i posiada wyjątkową wytrzymałość mechaniczną, dzięki czemu nadają się do zastosowań wymagających jednocześnie twardości i wytrzymałości. Ponadto, ZTA oferuje oszczędności w porównaniu z czystą ceramiką cyrkonową.
Połączenie tlenku glinu i tlenku cyrkonu tworzy ceramikę o wyższej wytrzymałości na zginanie, odporność na pękanie, i odporność na zużycie niż czysty tlenek glinu. Może wytrzymać większe obciążenia i uderzenia i często jest stosowany jako ulepszenie standardowego tlenku glinu w projektach wymagających dodatkowych funkcji.
Wzmocnienie transformacyjne odpowiada za tę zwiększoną siłę; w warunkach stresowych, cząsteczki tlenku cyrkonu zmieniają kształt z tetragonalnego na jednoskośny i rozszerzają się, ściskające pęknięcia w osnowie tlenku glinu, a tym samym prowadzące do wyższej wytrzymałości na zginanie niż YSZ (Rysunki 6c i d).
Odporność na korozję
Połączenie tlenku glinu i tlenku cyrkonu w ceramice ZTA zapewnia doskonałą odporność na korozję w porównaniu z czystą ceramiką 99% samych materiałów z tlenku glinu, i ma wyższą twardość, odporność na pękanie, wytrzymałość na zginanie, i twardości niż jej konkurenci.
ZTA charakteryzuje się wyjątkową odpornością na zużycie i ścieranie oraz kompatybilnością chemiczną, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań przemysłowych wymagających dużej wytrzymałości mechanicznej. Ponadto, połączenie materiałów charakteryzuje się doskonałą odpornością na szok termiczny, umożliwiając szybkie zmiany temperatury bez pękania i pękania.
Cząsteczki tlenku cyrkonu dodane do matrycy tlenku glinu zwiększają jej odporność na pękanie poprzez hartowanie transformacyjne, efekt wywołany naprężeniem cząstek tlenku cyrkonu, które pod wpływem naprężenia ściskającego zmieniają strukturę krystaliczną z tetragonalnej w jednoskośną, wytwarzając naprężenia ściskające, które hamują propagację pęknięć i znacznie zwiększają jego odporność na pękanie.
Odporność na szok termiczny
Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu to zaawansowana ceramika łącząca tlenek glinu i tlenek cyrkonu. Aby utworzyć ZTA, tlenek cyrkonu wprowadza się do głównej matrycy tlenku glinu przed spiekaniem, aby zwiększyć wytrzymałość i odporność na szok termiczny w porównaniu z tradycyjną ceramiką z tlenku glinu; ponadto charakteryzuje się wyższą twardością, wytrzymałość na zginanie, i gęstość niż jego odpowiednik.
Mechanizm hartowania ZTA obejmuje indukowaną naprężeniem przemianę fazową z tetragonalnej do jednoskośnej struktury kryształów cząstek tlenku cyrkonu, zwiększając odporność na pękanie, jednocześnie chroniąc go przed szokiem termicznym i ścieraniem mechanicznym. Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu jest wysoce biokompatybilny i nie koroduje szybko, dzięki czemu idealnie nadaje się do uszczelnień zaworów. Ponadto, jego wysoka wytrzymałość na zginanie pozwala mu skutecznie wytrzymać nacisk ciała.