Pokročilá húževnatosť pre priemyselné aplikácie

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý (ZTA) keramické komponenty kombinujú tvrdosť a pevnosť oxidu hlinitého s vynikajúcou lomovou húževnatosťou oxidu zirkoničitého, aby poskytovali výkon a dlhú životnosť pre priemyselné aplikácie.

Stresom vyvolaná transformácia jemných tetragonálnych častíc oxidu zirkoničitého zabudovaných do matrice oxidu hlinitého vedie k materiálom ZTA s vynikajúcou pevnosťou a húževnatosťou, vhodné na použitie v rôznych náročných prostrediach.

Húževnatosť

Materiály ZTA kombinujú tvrdosť oxidu hlinitého s húževnatosťou oxidu zirkoničitého pre bezkonkurenčnú odolnosť voči opotrebovaniu a oderu. Tento efekt je umožnený prostredníctvom transformačného spevnenia vyvolaného stresom: pri strese, častice oxidu zirkoničitého prechádzajú zo svojej metastabilnej tetragonálnej fázy do stabilnej monoklinickej formy; objemová expanzia spôsobená touto štrukturálnou zmenou pomáha uzavrieť akékoľvek trhliny v matrici oxidu hlinitého a výrazne zvýšiť húževnatosť.

ZTA obsahuje doštičky oxidu zirkoničitého, ktoré počas spekania nukleujú do matrice oxidu hlinitého, zlepšenie lomovej húževnatosti a pevnosti pri súčasnom zvýšení lomovej húževnatosti, vytvára materiál s väčšou pevnosťou v ohybe ako Y-TZP a až dvojnásobkom jeho cyklickej únavovej pevnosti. Táto kombinácia húževnatosti z oxidu hlinitého v kombinácii s pevnosťou oxidu zirkoničitého robí ZTA vynikajúcou voľbou materiálu pre priemyselné aplikácie vyžadujúce odolnosť proti poškodeniu.

Trvanlivosť

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý (ZTA) sa môže pochváliť vynikajúcou pevnosťou v ohybe a tlaku, s nízkou tepelnou rozťažnosťou ekvivalentnou oxidu hlinitému a vynikajúcimi vlastnosťami odolnosti proti opotrebovaniu.

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý sa vytvára pridaním tetragonálnych zŕn oxidu zirkoničitého prostredníctvom transformácie vyvolanej stresom na tvrdú matricu oxidu hlinitého, ich zapuzdrenie do svojej štruktúry a zároveň obmedzenie ich transformácie na miestne oblasti namiesto ich šírenia.

Tento mechanizmus robí kompozity z oxidu hlinitého a zirkónia oveľa odolnejšie ako monolitické zirkónie vďaka ich odolnosti voči absorpcii vody prostredníctvom chemisorpcie.; monolitický oxid zirkoničitý môže absorbovať polárne molekuly vody, čo vedie k degradácii pri nízkej teplote a prípadne k rozpadu po dlhodobom používaní.

ZTA, na druhej strane, je špeciálne navrhnutý tak, aby uľahčil túto tetragonálnu-monoklinickú transformáciu prostredníctvom štruktúrnych prvkov a chemických prísad. CeramTec uvádza na trh Biolox Delta ZTA ako príklad; táto formulácia obsahuje yttria a hlinitan strontnatý na uľahčenie vytvrdzovacích mechanizmov vo svojej zirkóniovej fáze a následne má menšie riziko degradácie pri nízkej teplote a zároveň odoláva vysokoteplotnému prostrediu.

Odolnosť proti korózii

Keramika ZTA ponúka vynikajúcu odolnosť proti korózii ako ich náprotivky z oxidu hlinitého, a preto sa dá použiť v zariadeniach vystavených drsným podmienkam. Ďalej, ZTA odolá vyšším teplotám a zároveň ponúka väčšiu chemickú stabilitu.

Garvie a spol (1975) preukázal, že pridanie 10-20% nestabilizovaný oxid zirkoničitý môže výrazne zvýšiť húževnatosť v porovnaní s oxidom hlinitým, prostredníctvom transformačného spevnenia. Tento proces nastáva, keď sa jemne dispergované tetragonálne metastabilné precipitáty menia na monoklinický oxid zirkoničitý pod tlakom, ktorý spôsobuje objemovú expanziu, ktorá stláča trhliny a spomaľuje alebo zastavuje ich šírenie..

Tento mechanizmus sa podobá mechanizmu namáhania vyvolaného deformáciou; však, na to, aby došlo k fázovým zmenám, musí byť pole napätia dostatočne veľké; pre trhliny vo vzorkách ZTA táto energia pochádza z ohybových napätí v miestach lomu.

Tepelná odolnosť

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý sa môže pochváliť výnimočne vysokým bodom topenia a odolnosťou proti korózii, čo z neho robí ideálny materiál pre zariadenia často vystavené vysokým teplotám. Ďalej, tento variant má väčšiu odolnosť proti treniu ako štandardný oxid hlinitý, pomáha znižovať opotrebovanie zariadení vystavených vyšším úrovniam kinetickej energie.

Keramika ZTA sa vytvára napätím indukovanou transformáciou častíc tetragonálneho zirkónu na matricu oxidu hlinitého, vytvárajúce v nich tlakové napätia, ktoré bránia šíreniu trhlín, zvyšuje pevnosť a húževnatosť a zároveň poskytuje odolnosť proti tepelným šokom bez zlomenia alebo prasknutia. Vyznačujú sa vynikajúcou odolnosťou proti tepelným šokom; odoláva rýchlym zmenám teploty bez zlomenia alebo prasknutia pri namáhaní.

Oxid hlinitý tvrdený zirkónom má mnoho použití vo viacerých priemyselných odvetviach vďaka svojmu obrovskému súboru vlastností. Strojárstvo ho používa na komponenty čerpadiel a tesnenia; polovodičové spracovanie ho využíva vďaka jeho tepelnej stabilite a pevnosti; kozmonautika, automobilový a energetický priemysel ho využíva ako súčasti motorov vďaka jeho odolnosti voči korózii a agresívnym chemikáliám; môže dokonca odolať vysokej pevnosti v ohybe pre zubné implantáty!