Zirkónom tvrdený oxid hlinitý

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý (ZTA) je pokročilý keramický materiál široko používaný vo ventilových tesneniach, priechodky, komponenty čerpadiel a rezné nástroje vďaka svojej pevnosti a chemickej stabilite – o čom svedčí jeho schopnosť odolávať veľkému zaťaženiu bez výraznej degradácie.

ZTA sa môže pochváliť pôsobivou odolnosťou voči teplotným šokom a dokáže vydržať náhle zmeny v teplotných zmenách, ako aj rýchle zmeny teploty. Čítajte ďalej a dozviete sa viac o jeho mechanických vlastnostiach!

Tvrdosť

Oxid zirkoničitý pridaný do matrice oxidu hlinitého zvyšuje jej tvrdosť, lomová húževnatosť a pevnosť v ohybe pri zvýšení odolnosti proti opotrebovaniu a erózii. Typickým mechanizmom je fázová transformácia nasledovaná tvorbou mikrotrhlín, ale môže zahŕňať aj teórie teórie stresu, ak je to možné.

Metastabilné precipitáty tetragonálneho oxidu zirkoničitého, ktoré tvoria jemnú disperziu v matrici oxidu hlinitého, sa môžu spontánne premeniť na monoklinické formy, keď sa ich obmedzenie počas šírenia trhliny zruší, poskytovanie energie proti napäťovým poliam poháňajúcim šírenie trhlín.

Keramika ZTA má vynikajúcu lomovú húževnatosť a tvrdosť v porovnaní s inou inžinierskou keramikou na báze oxidu, ako aj dvojnásobnú cyklickú únavovú pevnosť oproti Y-TZP. Ako taký, svojimi vlastnosťami je vhodný pre aplikácie vyžadujúce extrémnu odolnosť proti opotrebovaniu, chemická inertnosť a nízke trenie, ako aj vysoká pevnosť a tuhosť.

Pevnosť v ohybe

Keramiku ZTA je možné vyrobiť zmenou pomeru oxidu zirkoničitého stabilizovaného ytriom (Y-TZP) v matrici oxidu hlinitého pomocou izostatického lisovania za tepla, optimalizovať kombinácie tvrdosti, lomovej húževnatosti a pevnosti v ohybe, ktorých výsledkom je bezkonkurenčná odolnosť voči cyklickej únave, ktorá prevyšuje najmodernejšiu technickú keramiku.

Metastabilný Y-TZP v matrici oxidu hlinitého vedie k tvorbe tetragonálnych-monoklinických fázových aglomerátov, ktoré zvyšujú lomovú húževnatosť prostredníctvom spevňovania fázovou transformáciou (Clausen 1976). Prednostne kríženie trhlín, tieto prechodové aglomeráty stlačia zónu pred čelom trhliny a znížia jej postup, v konečnom dôsledku zvýšenie lomovej húževnatosti.

Táto štruktúra materiálu viedla k vytvoreniu alumino-zirkónových kompozitov, ako je BIOLOX Delta, široko používané na totálne náhrady bedrového kĺbu a iné nosné ortopedické komponenty. Tento keramický biomateriál má vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu, chemická inertnosť pri izbovej teplote, odolnosť proti tepelným šokom a vynikajúca chemická inertnosť pri všetkých teplotách.

Odolnosť proti korózii

Chemicky inertný a odolný voči vysokým teplotám a opotrebovaniu, poskytuje vynikajúci výkon v porovnaní s 99 keramika z oxidu hlinitého a je tiež cenovo výhodnejšia.

Zirkónia sa tiež môže pochváliť pôsobivou pevnosťou v ťahu, ohybové a elastické vlastnosti a biokompatibilita – vďaka tomu je ideálny na lekárske použitie, ako sú náhrady bedrového kĺbu. V dôsledku transformačného spevnenia v podmienkach napätia, častice oxidu zirkoničitého sa menia z metastabilnej tetragonálnej formy na monoklinickú formu, pomáha účinnejšie uzatvárať trhliny a zároveň zvyšuje lomovú húževnatosť.

CeramTec (Biolox Delta) komercializuje kompozit z oxidu hlinitého a zirkónia, kde nestabilizovaný oxid zirkoničitý zostáva v tetragonálnej fáze, aby zvládl túto transformáciu a zabezpečil otupenie špičky trhliny a odchýlku trhliny, zlepšenie húževnatosti matrice oxidu hlinitého. Obsah oxidu zirkoničitého v materiáli sa môže meniť pomocou techník prípravy prášku a zahusťovania.

Odolnosť voči tepelným šokom

Oxid zirkoničitý pridaný do matrice primárneho oxidu hlinitého počas spekania môže výrazne zvýšiť jej pevnosť a húževnatosť, vytvorenie toho, čo je známe ako ZTA (Zirkónom tvrdený oxid hlinitý), prevyšuje bežnú keramiku z oxidu hlinitého v mechanických aj opotrebovaných aplikáciách.

Oxid hlinitý tvrdený zirkónom je známy svojimi výnimočnými vlastnosťami, ako je vysoká tvrdosť za tepla a odolnosť proti pretrhnutiu, chemická inertnosť pri izbovej teplote, nízka miera tepelnej rozťažnosti a vynikajúca odolnosť proti tepelným šokom – ideálne vlastnosti na frézovanie komponentov, ako aj dielov podliehajúcich opotrebovaniu vyžadujúcich chladiace mechanizmy.

CeramTec predáva ZTA s názvom Biolox delta, ktorý obsahuje matricu oxidu hlinitého s rozptýlenými časticami Y-TZP (17 hmotnosť/hmot.%) a doštičky hlinitanu strontnatého (0.5 hmotnosť/hmot.%), poskytuje účinnú kombináciu mechanizmov tetragonálnej na monoklinickú fázovú transformáciu a mechanizmov vychyľovania trhlín, aby sa zabezpečila lepšia húževnatosť, vďaka čomu je ideálny pre primárne THA procedúry na femorálnych nosných plochách.

Elektrická izolácia

Oxid hlinitý spevnený zirkónom odolá teplotným šokom bez toho, aby pri náhlych zmenách teploty praskol alebo sa zlomil, vďaka rozptýleným časticiam oxidu hlinitého rozptýleným v jeho matrici, ktoré absorbujú tepelnú energiu a vytvárajú tlakové napätie, ktoré zabraňuje zlomeninám.

Alumino-zirkónová keramika je hustejšia ako jej čistý zirkónový náprotivok, vďaka čomu je ideálny pre aplikácie elektrickej izolácie. Ďalej, jeho nižšia tepelná rozťažnosť ako zirkónia ho robí vhodným pre diely vyžadujúce chladenie.

Transformačné spevnenie kompozitov Alumina-Zirkón ponúka ďalšie výhody; tu, zrná oxidu zirkoničitého v matrici oxidu hlinitého prechádzajú metastabilnou fázou, v ktorej ich zrná prechádzajú transformáciou z tetragonálnych na monoklinické štruktúry, čím sa znižuje praskanie spôsobené napätím zvýšením odolnosti proti oderu a nárazu. Oxid zirkoničitý spevnený oxidom hlinitým sa typicky vyskytuje prostredníctvom pyroforickej reakcie zahŕňajúcej zirkónium(IV) oktahydrát oxidu, Nanohydrát dusičnanu hlinitého Trietylamín a HNO3(Kyselina dusičná); zvýšenie veľkosti častíc ďalej napomáha disperzii metastabilných zŕn oxidu zirkoničitého.