Bezkonkurenčná húževnatosť so zirkónom tvrdeným oxidom hlinitým (ZTA) Keramika

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý (ZTA) keramika sa môže pochváliť bezkonkurenčnou húževnatosťou. Vyznačujú sa vynikajúcou odolnosťou proti opotrebovaniu, chemická inertnosť a nízke trenie pre bezproblémový výkon pri každodenných úlohách – nehovoriac o vyššej tvrdosti a tuhosti ako kovy.

ZTA zahŕňa metastabilné polykryštálové aglomeráty tetragonálneho zirkónu v matrici oxidu hlinitého, ktoré pod stresom podstupujú fázovú transformáciu vyvolanú stresom na monoklinickú formu, čím sa rozptýli šmykové napätie a zastaví sa šírenie trhlín, bežne známy ako transformačné spevnenie.

Odolné voči korózii

ZTA ponúka vynikajúcu chemickú odolnosť v porovnaní s čistým oxidom hlinitým a dokáže odolávať extrémnym teplotám bez degradácie, čo z neho robí ideálnu voľbu materiálu pre priemyselné aplikácie v náročných prostrediach a podmienkach.

Húževnatosť ZTA je posilnená časticami zirkónia, ktoré rozptyľujú a absorbujú energiu, pomáha predchádzať praskaniu. Pri dopovaní oxidom ytritým, oxid zirkoničitý sa počas namáhania mení z metastabilnej tetragonálnej fázy na monoklinickú a vytvára tlakové napätia, ktoré zvyšujú lomovú húževnatosť.

Keramika na báze zirkónu, ako je ZTA, obsahuje častice oxidu hlinitého, ktoré odolávajú tepelnému šoku. To mu umožňuje odolávať rýchlym zmenám teploty bez praskania alebo zlyhania pri vysokovýkonných aplikáciách, ako je brúsenie a rezanie; jeho nízka lineárna a torzná rozťažnosť poskytuje vynikajúcu nosnosť a výkon. ZTA sa chváli 2-3 krát väčšia pevnosť v ťahu v porovnaní s čistým oxidom hlinitým, pričom má nízke koeficienty lineárnej/torznej rozťažnosti pre výnimočnú nosnosť a výkonnostné schopnosti.

Vysoká tuhosť

ZTA spája pevnosť a odolnosť oxidu hlinitého s tvrdením zirkónom pre výnimočný materiál pre náročné aplikácie. Táto kombinácia ponúka bezkonkurenčnú silu, lomová húževnatosť, vlastnosti elasticity a tvrdosti v jednom balení.

Claussen objavil v r 1976 že pridanie nestabilizovaného oxidu zirkoničitého k oxidu hlinitému výrazne zvyšuje jeho lomovú húževnatosť, v dôsledku tetragonálno-monoklinickej transformácie dispergovaných jemných tetragonálnych precipitátov dispergovaných v jej matrici. Takéto metastabilné precipitáty sa nemôžu meniť, kým sa neuvoľnia blížiacim sa čelom trhliny alebo iným zdrojom úľavy od ich obmedzenia, ako napríklad roztavením.

Za tepla lisovaný 10 mol% ytriom stabilizovaný oxid zirkoničitý (10YSZ), vystužené buď časticami alebo doštičkami obsahujúcimi z 0 do 30 % hmotn. obsahu oxidu hlinitého boli podrobené prísnej pevnosti, skúšky lomovej húževnatosti a pomalého rastu trhlín pri 1000C na vzduchu. Výsledky ukázali, že maximálna pevnosť v ohybe a lomová húževnatosť pre doštičkové kompozity sa dosiahli s týmto obsahom kompozície.

Vysoká pevnosť v ťahu

Zirkónová keramika ponúka mimoriadnu kombináciu pevnosti, odolnosť, a všestrannosť, ktorá ďaleko prevyšuje tradičnú technickú keramiku. Zirkónové formulácie, ako je ZTA, poskytujú riešenia pre dnešné najťažšie aplikácie, od leteckých komponentov, ktoré odolávajú drsnému prostrediu, až po biomedicínske implantáty novej generácie navrhnuté pre dlhú životnosť. – poskytovanie spoľahlivých riešení pre dnešné najnaliehavejšie potreby.

ZTA vyniká medzi ostatnými materiálmi vďaka svojej vynikajúcej pevnosti v ohybe, lomová húževnatosť a odolnosť voči šíreniu trhliny vďaka svojej metastabilnej tetragonálnej fáze. Táto transformácia na monoklinický oxid zirkoničitý pri nízkej teplote stláča zónu pred čelom trhliny, aby sa zastavil ďalší rast.

Ytriom čiastočne stabilizovaný oxid zirkoničitý (Y-TZP) a cérom čiastočne stabilizovaný oxid zirkoničitý (Čo-ŤZP) vykazujú výnimočné charakteristiky húževnatosti podobné ZTA vďaka zachovaniu tetragonálnej fázy udržiavaním ytria alebo céru pri nižších teplotách, umožňujúce transformáciu v lepšie zvládnuteľnom teplotnom rozsahu a vykazujúce menšie poškodenie povrchu počas cyklických zaťažovacích testov ako náprotivky z oxidu hlinitého.

Nízke trenie

Zirkónia je jednou z najtvrdších dostupných technických keramických materiálov a jej vlastnosti s nízkym trením pomáhajú zvyšovať odolnosť proti opotrebovaniu a zároveň znižujú požiadavky na mazanie.

Keramika ZTA obsahuje oxid hlinitý pre maximálnu húževnatosť. To umožňuje, aby metastabilné častice tetragonálneho zirkónia stabilizované ytriom v matrici oxidu hlinitého zostali nezmenené, zostávajú kryštalizované vďaka pretkanej sieti zŕn.

Kontrolované zloženie a podmienky spracovania zabezpečujú, že po ochladení z teploty spekania nenastane spontánna tetragonálna premena na monoklinickú, prispieva k schopnosti viacnásobného nárazu pri testovaní lomovej húževnatosti. Ďalej, vysoká homogenita v kompozitoch oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého s malými veľkosťami zŕn vedie k nižšej energii trhlín, čo sa následne premieta do kratších dĺžok trhlín počas testov vtláčania diamantov.

Vysoká tepelná rozťažnosť

Väzbová sila matrice oxidu hlinitého jej umožňuje zabrániť tomu, aby sa častice tetragonálneho zirkónu po ochladení premenili na monoklinický zirkón, teda robiť 10 krtko % ytriom stabilizované kompozity oxidu zirkoničitého a hlinitého sú stabilné a bez trhlín.

Prídavok céru k oxidu zirkoničitému umožňuje jeho čiastočnú stabilizáciu (Čo-ŤZP). Ce-TZP si zachováva svoju tetragonálnu fázu pri izbovej teplote a výrazne zvyšuje húževnatosť, lomová húževnatosť a pevnosť v ohybe v porovnaní s tradičnými dentálnymi keramickými materiálmi.

Kompozity z tvrdeného oxidu hlinitého zirkónom obsahujúce Ce-TZP, oxid zirkoničitý stabilizovaný ytriom (Y-TZP), alebo oxid zirkoničitý stabilizovaný magnéziou (Mg-PSZ) vykazujú výnimočnú húževnatosť, ktorá prevyšuje ako oxid hlinitý, tak monolitický oxid zirkoničitý, vďaka čomu je ZTA ideálnym kandidátom pre náročné aplikácie, ako sú lekárske implantáty, letecké komponenty a priemyselné stroje. ZTA sa môže pochváliť aj mnohými vlastnosťami chemickej odolnosti, ktoré ho chránia pred kyselinami, soľné roztoky, roztavené soli alkálie, ako aj vysoké teploty.