Zirkoniumoxid och aluminiumoxid tillsammans ger Zirconia Toughened Alumina (ZTA), ett exceptionellt material i många applikationer. Mekaniska egenskaper, styrka, brottseghet, elasticitet, hårdhet och slitstyrka är mycket uppskattade i detta kompositkeramiska material som tillhör klassen AZ-kompositer. ZTA har blivit det föredragna valet för hög mekanisk hållfasthet, värmebeständighet och korrosionsbeständighet.
Avkodning av sammansättning och struktur
Bland annat, Zirconia Toughened Alumina består av zirkoniumoxidkorn som är jämnt fördelade i en aluminiumoxidmatris. Normalt, detta inkluderar 10-20% volym ZrO2 i aluminiumoxid. Beroende på deras proportioner, ingående blandningar bidrar till keramik med specifika egenskaper beroende på en viss applikation.
Byggstenar: Aluminiumoxid och zirkoniumoxid
Huvudkomponenterna som blandas för att bilda ZTA är aluminiumoxid och zirkoniumoxid. Dessutom, ortopediska implantat har använt detta keramiska material som kallas aluminiumoxid (Al2O3) i historien på grund av dess goda biokompatibilitet samt dess stora mekaniska styrka och brottmotstånd.
En annan enastående egenskap hos zirkoniumoxid är dess låga korrosionshastigheter samt goda kemiska stabilitet och höga mekaniska hållfasthet. Dess Youngs modul är i samma storleksordning med legeringar av rostfritt stål.
Hur den är gjord
Att producera ZTA innebär att skapa zirkoniumoxidkorn i tetragonal fas jämnt fördelade genom en aluminiumoxidmatris. En sprickspetsspänningskoncentration kan förändra en tetragonal kristallstruktur till en monoklinisk struktur och därigenom leda till en associerad ökning av volymen av zirkoniumoxid. Sådan volymexpansion reverserar eller stoppar effektivt spricktillväxten, vilket leder till större seghet och styrka.
Mekaniska egenskaper hos ZrO2-Al2O3-keramik
Det finns ett brett utbud av mekaniska egenskaper som uppvisas av ZTA inklusive överlägsen hårdhet än konventionella aluminiumoxider med liknande densitetsvärden, högre böjhållfasthet än konventionella aluminiumoxider och lägre än konventionella zirkoniumoxidkoefficienter för linjär termisk expansion (CLTE).
Zirconia Toughened Alumina har hög mekanisk hållfasthet och är termiskt resistent och korroderar därför inte. Nedan är några av ZTAs egenskaper:
Fastighetsvärde
Kemisk formel Zr-Al2O3
Densitet 4.1-4.38 g/cm^3
Hårdhet 1750-2100 Knapp
Elasticitet 45-49 x 10^6 psi
Flexurstyrka 100-145 ksi
Poissons förhållande 0.26
Frakturseghet 5-7 MPa m^1/2
Koefficient för termisk expansion 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Värmeledningsförmåga 20.0-21.0 W/mK
Stötmotstånd 325 °C
Maximal arbetstemperatur 1650 °C
Tillämpningar av ZrO2-Al2O3 Keramik
Zirconia Toughened Alumina används i olika applikationer som de som kräver hög hållfasthet och slitstyrka. Dessa inkluderar ventiltätningar, ärmar, pumpkolvar, sprutmunstycken och andra industridelar.
Biokompatibilitet för ZTA
I olika studier, ZTA har rapporterats inte ge några negativa vävnadsreaktioner vid implantation vilket gör den till en bra kandidat för ortopediska belastningsbärande komponenter. Dessutom, hårdheten, seghet och styrka som uppvisas av zirkoniumoxid-aluminiumoxidkeramik gör dem lämpliga för ortopediska lastbärande komponenter.
ZTA i höftprotesplastik
Det har varit stora överväganden om keramik som aluminiumoxid, zirkoniumoxid och zirkoniumoxidhärdad aluminiumoxid (ZTA) som lämpliga material vid höftprotesplastik . Dessa fördelar med ZTA uppnåddes utan att behöva införliva nackdelarna med yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid som uppvisar höga mekaniska egenskaper eller aluminiumoxid med sin höga tröghet.
ZTA i knäprotesplastik
Mestadels, keramiska implantatdesigner för total knäprotesplastik (TKA) har utvecklats för att hantera frågan om allergiska reaktioner som kan uppstå hos patienter när moderna titan- eller kobolt-kromlegeringskomponenter släpper slitagepartiklar. Zirconia Toughened Alumina (ZTA) Matrix Composite är ett banbrytande biomaterial för sådana applikationer.
ZTA: Den lovande framtiden
Detta involverar kontinuerlig forskning såväl som utveckling om sätt att förbättra ZTA:s attribut och dess potentiella användningsområden. En annan satsbearbetad Zirconia Toughened Alumina har designats med mekaniska egenskaper vad gäller böjhållfasthet som är väsentligt mindre än de från kommersiellt tillgängliga Biolox® Delta. En annan, såsom kiselnitridkeramiska kompositer som nyligen introducerades i höftprotesplastik uppvisar också högre styrka än aluminiumoxid. Framtiden är ljus för ZTA med många applikationer och överlägsna egenskaper. Därför, med utvecklande teknik, det förväntas att ZTA kommer att ligga till grund för nya koncept på olika fronter, särskilt inom biomedicin.