Tlenek cyrkonu i tlenek glinu razem dają tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu (ZTA), wyjątkowy materiał o wielu zastosowaniach. Właściwości mechaniczne, wytrzymałość, odporność na pękanie, elastyczność, Twardość i odporność na zużycie są bardzo cenione w tym kompozytowym materiale ceramicznym, należącym do klasy kompozytów AZ. ZTA stał się preferowanym wyborem ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporność termiczna i odporność na korozję.
Dekodowanie składu i struktury
Między innymi, Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu składa się z ziaren tlenku cyrkonu rozproszonych równomiernie w matrycy tlenku glinu. Normalnie, to obejmuje 10-20% objętość ZrO2 w tlenku glinu. W zależności od ich proporcji, mieszaniny składników przyczyniają się do powstania ceramiki o specyficznych właściwościach w zależności od konkretnego zastosowania.
Bloki konstrukcyjne: Tlenek glinu i cyrkon
Głównymi składnikami mieszanymi w celu wytworzenia ZTA są tlenek glinu i tlenek cyrkonu. Ponadto, implanty ortopedyczne wykorzystują ten materiał ceramiczny znany jako tlenek glinu (Al2O3) w historii ze względu na dobrą biokompatybilność, a także dużą wytrzymałość mechaniczną i odporność na pękanie.
Kolejną wyjątkową właściwością tlenku cyrkonu jest jego niska szybkość korozji, a także dobra stabilność chemiczna i wysoka wytrzymałość mechaniczna. Jego moduł Younga jest tego samego rzędu wielkości co stopy stali nierdzewnej.
Jak to jest zrobione
Wytwarzanie ZTA oznacza tworzenie ziaren tlenku cyrkonu w fazie tetragonalnej równomiernie rozmieszczonych w matrycy tlenku glinu. Stężenie naprężeń na końcówce pęknięcia może zmienić tetragonalną strukturę kryształu w jednoskośną, prowadząc w ten sposób do powiązanego wzrostu objętości tlenku cyrkonu. Takie zwiększenie objętości skutecznie odwraca lub zatrzymuje rozwój pęknięć, prowadząc do większej ciągliwości i wytrzymałości.
Właściwości mechaniczne ceramiki ZrO2-Al2O3
Istnieje szeroki zakres właściwości mechanicznych wykazywanych przez ZTA, w tym wyższą twardość niż konwencjonalne tlenki glinu o podobnych wartościach gęstości, wyższa wytrzymałość na zginanie niż w przypadku konwencjonalnych tlenków glinu i niższy niż w przypadku konwencjonalnych tlenków cyrkonu współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE).
Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu ma wysoką wytrzymałość mechaniczną i jest odporny termicznie, dlatego nie koroduje. Poniżej znajdują się niektóre właściwości ZTA:
Wartość właściwości
Wzór chemiczny Zr-Al2O3
Gęstość 4.1-4.38 g/cm^3
Twardość 1750-2100 Przycisk
Elastyczność 45-49 x 10^6 psi
Siła zginania 100-145 ksi
Współczynnik Poissona 0.26
Odporność na pękanie 5-7 MPa m^1/2
Współczynnik rozszerzalności cieplnej 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Przewodność cieplna 20.0-21.0 W/mK
Odporność na wstrząsy 325 °C
Maksymalna temperatura robocza 1650 °C
Zastosowania ceramiki ZrO2-Al2O3
Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu jest stosowany w różnych zastosowaniach, takich jak te, które wymagają wysokiej wytrzymałości i odporności na zużycie. Należą do nich uszczelniacze zaworów, rękawy, tłoki pompy, dysze natryskowe i inne części przemysłowe.
Biokompatybilność ZTA
W różnych badaniach, Doniesiono, że ZTA nie powoduje niepożądanych reakcji tkankowych po wszczepieniu, co czyni go dobrym kandydatem na ortopedyczne elementy nośne. Ponadto, twardość, wytrzymałość i wytrzymałość ceramiki z tlenku cyrkonu i tlenku glinu sprawiają, że nadają się one do ortopedycznych elementów nośnych.
ZTA w endoprotezoplastyce stawu biodrowego
Poczyniono poważne rozważania na temat ceramiki takiej jak tlenek glinu, tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu i tlenkiem cyrkonu (ZTA) jako odpowiednie materiały w endoprotezoplastyce stawu biodrowego . Te zalety ZTA osiągnięto bez konieczności uwzględnienia wad związanych z tlenkiem cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru, który wykazuje wysokie właściwości mechaniczne, lub tlenkiem glinu o wysokiej obojętności.
ZTA w endoprotezoplastyce stawu kolanowego
Głównie, projekty implantów ceramicznych do całkowitej endoprotezoplastyki stawu kolanowego (TKA) zostały opracowane, aby zaradzić problemowi reakcji alergicznych, które mogą wystąpić u pacjentów, gdy nowoczesne elementy wykonane z tytanu lub stopu kobaltowo-chromowego uwalniają cząsteczki zużywające się. Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu (ZTA) Matrix Composite to najnowocześniejszy biomateriał do takich zastosowań.
ZTA: Obiecująca przyszłość
Obejmuje to ciągłe badania i rozwój sposobów poprawy atrybutów ZTA i jego potencjalnych zastosowań. Inny przetwarzany wsadowo tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu został zaprojektowany tak, aby właściwości mechaniczne w zakresie wytrzymałości na zginanie były znacznie mniejsze niż dostępne w handlu Biolox® Delta. Inny, takie jak kompozyty ceramiczne z azotku krzemu wprowadzone niedawno do endoprotezoplastyki stawu biodrowego, wykazują również wyższą wytrzymałość niż tlenek glinu. Przyszłość ZTA rysuje się w jasnych barwach z wieloma zastosowaniami i doskonałymi właściwościami. Dlatego, z rozwijającą się technologią, oczekuje się, że ZTA będzie podstawą nowych koncepcji na różnych frontach, zwłaszcza w biomedycynie.