Oxid zirkoničitý a oxid hlinitý spolu poskytujú oxid zirkoničitý tvrdený oxid hlinitý (ZTA), výnimočný materiál v mnohých aplikáciách. Mechanické vlastnosti, silu, lomová húževnatosť, elasticita, tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu sú vysoko cenené u tohto kompozitného keramického materiálu, ktorý patrí do triedy AZ kompozitov. ZTA sa stala preferovanou voľbou pre vysokú mechanickú pevnosť, tepelná odolnosť a odolnosť proti korózii.
Dekódovanie zloženia a štruktúry
Okrem iného, Zirkónom tvrdený oxid hlinitý pozostáva zo zŕn zirkónu rovnomerne rozptýlených v matrici oxidu hlinitého. Normálne, toto zahŕňa 10-20% objem ZrO2 v oxide hlinitom. V závislosti od ich proporcií, zmesi zložiek prispievajú ku keramike so špecifickými vlastnosťami v závislosti od konkrétneho použitia.
Stavebné bloky: Oxid hlinitý a oxid zirkoničitý
Hlavnými zložkami, ktoré sa zmiešajú za vzniku ZTA, sú oxid hlinitý a oxid zirkoničitý. Navyše, ortopedické implantáty využívajú tento keramický materiál známy ako oxid hlinitý (Al203) v histórii vďaka svojej dobrej biokompatibilite, ako aj veľkej mechanickej pevnosti a odolnosti voči lomu.
Ďalšou vynikajúcou vlastnosťou oxidu zirkoničitého je jeho nízka rýchlosť korózie, ako aj dobrá chemická stabilita a vysoká mechanická pevnosť. Jeho Youngov modul je rádovo rovnaký ako pri zliatinách nehrdzavejúcej ocele.
Ako sa vyrába
Produkovať ZTA znamená vytvoriť tetragonálne zrná zirkónia rovnomerne rozložené v matrici oxidu hlinitého. Koncentrácia napätia na špičke trhliny môže zmeniť tetragonálnu kryštálovú štruktúru na monoklinickú, čo vedie k súvisiacemu zvýšeniu objemu oxidu zirkoničitého. Takáto objemová expanzia účinne zvráti alebo zastaví rast trhlín, čo vedie k väčšej húževnatosti a pevnosti.
Mechanické vlastnosti keramiky ZrO2-Al2O3
Existuje široká škála mechanických vlastností, ktoré vykazuje ZTA, vrátane vyššej tvrdosti ako konvenčné aluminy s podobnými hodnotami hustoty, vyššia pevnosť v ohybe ako konvenčné oxidy hlinité a nižší koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti ako konvenčné zirkóny (CLTE).
Zirkónom tvrdený oxid hlinitý má vysokú mechanickú pevnosť a je tepelne odolný, preto nekoroduje. Nižšie sú uvedené niektoré vlastnosti ZTA:
Hodnota nehnuteľnosti
Chemický vzorec Zr-Al2O3
Hustota 4.1-4.38 g/cm^3
Tvrdosť 1750-2100 Tlačidlo
Elasticita 45-49 x 10^6 psi
Sila ohybu 100-145 ksi
Poissonov pomer 0.26
Lomová húževnatosť 5-7 MPa m^1/2
Koeficient tepelnej rozťažnosti 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Tepelná vodivosť 20.0-21.0 W/mK
Odolnosť voči otrasom 325 °C
Maximálna pracovná teplota 1650 °C
Aplikácie keramiky ZrO2-Al2O3
Tvrdený oxid hlinitý zirkónom sa používa v rôznych aplikáciách, ako sú tie, ktoré vyžadujú vysokú pevnosť a odolnosť proti opotrebovaniu. Patria sem tesnenia ventilov, rukávy, piesty čerpadla, striekacie trysky a iné priemyselné diely.
Biokompatibilita ZTA
V rôznych štúdiách, Uvádza sa, že ZTA nevyvoláva žiadnu nepriaznivú reakciu tkaniva po implantácii, čo z neho robí dobrého kandidáta na ortopedické nosné komponenty. Okrem toho, tvrdosť, húževnatosť a pevnosť vykazovaná keramikou z oxidu zirkoničitého a hlinitého ich robí vhodnými pre ortopedické nosné komponenty.
ZTA pri artroplastike bedrového kĺbu
Uskutočnili sa značné úvahy o keramike, ako je oxid hlinitý, oxid zirkoničitý a oxid hlinitý tvrdený zirkónom (ZTA) ako vhodné materiály pri endoprotéze bedrového kĺbu . Tieto výhody ZTA boli dosiahnuté bez toho, aby bolo potrebné zahrnúť nevýhody spojené s ytriom stabilizovaným zirkónom, ktorý vykazuje vysoké mechanické vlastnosti, alebo oxidom hlinitým so svojou vysokou inertnosťou..
ZTA pri artroplastike kolena
Väčšinou, návrhy keramických implantátov pre totálnu endoprotézu kolena (TKA) boli vyvinuté s cieľom riešiť problém alergických reakcií, ktoré sa môžu vyskytnúť u pacientov, keď moderné komponenty titánu alebo zliatiny kobaltu a chrómu uvoľňujú častice opotrebovania. Zirkónom tvrdený oxid hlinitý (ZTA) Matrix Composite je špičkový biomateriál pre takéto aplikácie.
ZTA: Sľubná budúcnosť
To zahŕňa neustály výskum, ako aj vývoj spôsobov, ako zlepšiť vlastnosti ZTA a jej potenciálne využitie. Iný vsádzkovo spracovaný oxid zirkoničitý tvrdený oxid hlinitý bol navrhnutý s mechanickými vlastnosťami, pokiaľ ide o pevnosť v ohybe, podstatne menšími ako u komerčne dostupného Biolox® Delta.. Ďalší, keramické kompozity z nitridu kremíka zavedené nedávno do endoprotézy bedrového kĺbu tiež vykazujú vyššiu pevnosť ako oxid hlinitý. Budúcnosť je pre ZTA jasná s mnohými aplikáciami a vynikajúcimi vlastnosťami. Preto, s vyvíjajúcou sa technológiou, očakáva sa, že ZTA bude základom pre nové koncepcie na rôznych frontoch, najmä v biomedicíne.