Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu

Tlenek glinu wzmocniony cyrkonem (ZTA) to zaawansowany materiał ceramiczny szeroko stosowany w uszczelnieniach zaworów, tuleje, elementy pomp i narzędzia skrawające ze względu na swoją wytrzymałość i stabilność chemiczną – o czym świadczy jego zdolność do wytrzymywania dużych obciążeń bez znaczącej degradacji.

ZTA charakteryzuje się imponującą odpornością na szok termiczny i wytrzymuje nagłe zmiany temperatury, jak również szybkie wahania temperatury. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o jego właściwościach mechanicznych!

Twardość

Tlenek cyrkonu dodany do matrycy tlenku glinu zwiększa jej twardość, odporność na pękanie i zginanie przy jednoczesnym zwiększeniu odporności na zużycie i erozję. Zwykle stosowanym mechanizmem jest przemiana fazowa, po której następuje powstawanie mikropęknięć, ale może również obejmować teorie teorii naprężeń, jeśli mają zastosowanie.

Metastabilne tetragonalne wydzielenia tlenku cyrkonu, które tworzą drobną dyspersję w osnowie tlenku glinu, mogą ulec samoistnej przemianie w formy jednoskośne, gdy ich wiązanie zostanie zniesione podczas propagacji pęknięć, dostarczanie energii przeciwko polom naprężeń powodującym propagację pęknięć.

Ceramika ZTA charakteryzuje się doskonałą odpornością na pękanie i twardością w porównaniu do innych ceramiki konstrukcyjnej na bazie tlenków, oraz dwukrotnie większą cykliczną wytrzymałość zmęczeniową Y-TZP. Jako taki, jego właściwości sprawiają, że nadaje się do zastosowań wymagających ekstremalnej odporności na zużycie, obojętność chemiczna i niskie tarcie, a także wysoka wytrzymałość i sztywność.

Wytrzymałość na zginanie

Ceramikę ZTA można wytwarzać poprzez zmianę proporcji tlenku cyrkonu stabilizowanego itrem (Y-TZP) w matrycy tlenku glinu za pomocą prasowania izostatycznego na gorąco, w celu optymalizacji kombinacji twardości, wytrzymałości na pękanie i wytrzymałości na zginanie, które dają niezrównaną odporność na zmęczenie cykliczne, przewyższającą najbardziej zaawansowaną ceramikę techniczną.

Metastabilny Y-TZP w osnowie tlenku glinu powoduje powstawanie tetragonalno-jednoskośnych aglomeratów fazy transformacji, które zwiększają odporność na pękanie poprzez usztywnienie przemiany fazowej (Clausena 1976). Preferowane przechodzenie przez pęknięcia, te aglomeraty przejściowe będą ściskać strefę przed frontem pęknięcia i spowalniać jej postęp, ostatecznie zwiększając odporność na pękanie.

Ta struktura materiału doprowadziła do powstania kompozytów tlenku glinu i tlenku cyrkonu, takich jak BIOLOX Delta, szeroko stosowany do całkowitej endoprotezoplastyki stawu biodrowego i innych nośnych elementów ortopedycznych. Ten biomateriał ceramiczny charakteryzuje się wyjątkową odpornością na zużycie, obojętność chemiczna w temperaturze pokojowej, odporność na szok termiczny i doskonałą obojętność chemiczną we wszystkich temperaturach.

Odporność na korozję

Chemicznie obojętny i odporny na wysokie temperatury i zużycie, zapewnia lepszą wydajność w porównaniu do 99 ceramiki z tlenku glinu i jest również bardziej opłacalny.

Cyrkon może się również poszczycić imponującą wytrzymałością na rozciąganie, właściwości zginania i elastyczności oraz biokompatybilność – dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań medycznych, takich jak wymiana stawu biodrowego. Ze względu na hartowanie transformacyjne w warunkach naprężenia, cząsteczki tlenku cyrkonu zmieniają się z metastabilnej formy tetragonalnej w formę jednoskośną, pomagając skuteczniej zamykać pęknięcia, jednocześnie zwiększając odporność na pękanie.

CeramTec (Biolox Delta) wprowadza na rynek kompozyt tlenek glinu i tlenek cyrkonu, w którym niestabilizowany tlenek cyrkonu pozostaje w fazie tetragonalnej, aby zarządzać tą przemianą i zapewnić stępienie wierzchołka pęknięć i odchylenie pęknięć, poprawa wytrzymałości matrycy tlenku glinu. Zawartość tlenku cyrkonu w materiale można zmieniać poprzez przygotowanie proszku i techniki zagęszczania.

Odporność na szok termiczny

Tlenek cyrkonu dodany do pierwotnej matrycy tlenku glinu podczas spiekania może znacząco zwiększyć jej wytrzymałość i wytrzymałość, tworząc coś, co jest znane jako ZTA (Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu), przewyższają zwykłą ceramikę z tlenku glinu zarówno pod względem mechanicznym, jak i zużycia.

Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu jest znany ze swoich wyjątkowych właściwości, takich jak wysoka twardość na gorąco i wytrzymałość na wyrywanie, obojętność chemiczna w temperaturze pokojowej, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i doskonała odporność na szok termiczny – idealne właściwości do elementów frezowanych oraz części eksploatacyjnych wymagających mechanizmów chłodzących.

CeramTec sprzedaje ZTA o nazwie Biolox delta, który zawiera matrycę z tlenku glinu ze zdyspergowanymi cząsteczkami Y-TZP (17 masa/% wag.) i płytki glinianu strontu (0.5 masa/% wag.), zapewniając skuteczną kombinację mechanizmów transformacji fazowej z tetragonalnej do jednoskośnej i mechanizmów odchylania pęknięć, aby zapewnić lepszą wytrzymałość, co sprawia, że ​​idealnie nadaje się do podstawowych zabiegów THA na powierzchniach nośnych kości udowej.

Izolacja elektryczna

Tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonu może wytrzymać szok termiczny bez pękania i pękania pod wpływem nagłych zmian temperatury, dzięki rozproszonym cząsteczkom tlenku glinu rozproszonym w jego osnowie, które absorbują energię cieplną i wytwarzają naprężenia ściskające zapobiegające pęknięciom.

Ceramika z tlenku glinu i tlenku cyrkonu ma większą gęstość niż jej odpowiednik z czystego tlenku cyrkonu, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań w izolacji elektrycznej. Ponadto, jego mniejsza rozszerzalność cieplna niż tlenek cyrkonu sprawia, że ​​nadaje się do części wymagających chłodzenia.

Hartowanie transformacyjne kompozytów tlenku glinu i tlenku cyrkonu oferuje dodatkowe zalety; Tutaj, ziarna tlenku cyrkonu w osnowie tlenku glinu przechodzą fazę metastabilną, w której ich ziarna ulegają przemianie ze struktury tetragonalnej do jednoskośnej, zmniejszając w ten sposób pękanie wywołane naprężeniami poprzez zwiększenie odporności na ścieranie i uderzenia. Tlenek cyrkonu wzmocniony tlenkiem glinu zwykle zachodzi w wyniku reakcji piroforycznej z udziałem cyrkonu(IV) tlenek oktahydrat, Nanohydrat azotanu glinu, trietyloamina i HNO3(Kwas azotowy); zwiększające się rozmiary cząstek dodatkowo ułatwiają dyspersję metastabilnych ziaren tlenku cyrkonu.