Zirconia härdad aluminiumoxid

Zirkoniumoxidhärdad aluminiumoxid (ZTA) är ett avancerat keramiskt material som ofta används i ventiltätningar, bussningar, pumpkomponenter och skärverktyg på grund av dess styrka och kemiska stabilitet – vilket framgår av dess förmåga att motstå tunga belastningar utan betydande försämring.

ZTA ståtar med imponerande värmechockbeständighet och tål plötsliga temperaturförändringar, samt snabba temperatursvängningar. Läs vidare för att lära dig mer om dess mekaniska egenskaper!

Hårdhet

Zirkoniumoxid tillsatt till en aluminiumoxidmatris ökar dess hårdhet, brottseghet och böjhållfasthet samtidigt som motståndet mot slitage och erosion ökar. Mekanismen som vanligtvis är involverad är fastransformation följt av mikrosprickbildning men kan också involvera stressteorier som är tillämpliga.

Metastabila tetragonala zirkoniumoxidutfällningar som bildar fin dispersion i en aluminiumoxidmatris kan genomgå spontan omvandling till monokliniska former när deras begränsning upphävs under sprickutbredning, ger energi mot stressfält som driver sprickutbredning.

ZTA-keramik har överlägsen brottseghet och hårdhet jämfört med annan oxidbaserad ingenjörskeramik, samt två gånger den cykliska utmattningsstyrkan hos Y-TZP. Som sådan, dess egenskaper gör den lämplig för applikationer som kräver extrem slitstyrka, kemisk tröghet och låg friktion samt hög hållfasthet och styvhet.

Böjningsstyrka

ZTA-keramik kan tillverkas genom att ändra förhållandet mellan yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid (Y-TZP) inuti en aluminiumoxidmatris med användning av varm isostatisk pressning, för att optimera kombinationer av hårdhet-brottseghet-böjhållfasthet som resulterar i oöverträffad cyklisk utmattningsbeständighet som överträffar de flesta avancerade tekniska keramer.

Metastabil Y-TZP i en aluminiumoxidmatris resulterar i bildandet av tetragonala-monoklina transformationsfasagglomerat som ökar brottsegheten genom förstyvning av fastransformation (Clausen 1976). Företrädesvis korsande sprickor, dessa övergångsagglomerat kommer att komprimera zonen framför sprickfronten och minska dess progression, i slutändan ökar brottsegheten.

Denna materialstruktur har lett till skapandet av aluminiumoxid-zirkoniumoxidkompositer som BIOLOX Delta, används flitigt för totala höftproteser och andra bärande ortopediska komponenter. Detta keramiska biomaterial har enastående slitstyrka, kemisk inerthet vid rumstemperatur, termisk chockbeständighet och utmärkt kemisk tröghet vid alla temperaturer.

Korrosionsbeständighet

Kemiskt inert och resistent mot höga temperaturer och slitage, det ger överlägsen prestanda jämfört med 99 aluminiumoxidkeramik och är också mer kostnadseffektiv.

Zirconia har också imponerande draghållfasthet, böj- och elasticitetsegenskaper och biokompatibilitet – vilket gör den idealisk för medicinsk användning som höftproteser. På grund av transformationshärdning under stressförhållanden, zirkoniumoxidpartiklar ändras från metastabil tetragonal form till monoklinisk form, hjälper till att stänga sprickor mer effektivt samtidigt som brottsegheten ökar.

CeramTec (Biolox Delta) kommersialiserar en aluminiumoxid-zirkoniumoxidkomposit där ostabiliserad zirkoniumoxid förblir i tetragonal fas för att hantera denna transformation och tillhandahålla trubbig sprickspets och sprickavvikelse, förbättrar segheten hos aluminiumoxidmatrisen. Zirkoniumhalten i materialet kan ändras genom pulverberedning och förtätningstekniker.

Termisk stötbeständighet

Zirkoniumoxid tillsatt till en primär aluminiumoxidmatris under sintring kan avsevärt förbättra dess styrka och seghet, skapa det som kallas ZTA (Zirconia härdad aluminiumoxid), överträffar vanlig aluminiumoxidkeramik i både mekaniska och slitageapplikationer.

Zirkoniumoxidhärdad aluminiumoxid är känd för sina exceptionella egenskaper såsom hög varmhårdhet och uppryckningshållfasthet, kemisk inerthet vid rumstemperatur, låga termiska expansionshastigheter och utmärkt motståndskraft mot värmechock – idealiska egenskaper för fräsning av komponenter samt slitdelar som kräver kylmekanismer.

CeramTec marknadsför en ZTA som heter Biolox delta som har en aluminiumoxidmatris med dispergerade Y-TZP-partiklar (17 vikt/vikt%) och strontiumaluminatplättar (0.5 vikt/vikt%), tillhandahåller en effektiv kombination av tetragonal-till-monoklina fastransformationsmekanismer och sprickavböjningsmekanismer för att ge förbättrad seghet, vilket gör detta idealiskt för primära THA-ingrepp på lårbenets lagerytor.

Elektrisk isolering

Zirkoniumoxidhärdad aluminiumoxid kan motstå värmechock utan att spricka eller gå sönder vid plötsliga temperaturförändringar, tack vare dispergerade aluminiumoxidpartiklar som är dispergerade i dess matris som absorberar den termiska energin och genererar tryckspänningar som förhindrar sprickor.

Aluminiumoxid-zirkoniumoxidkeramik är tätare än dess rena zirkoniumoxidmotsvarighet, vilket gör den idealisk för elektriska isoleringsapplikationer. Dessutom, dess lägre termiska expansion än zirkoniumoxid gör den lämplig för delar som kräver kylning.

Transformationshärdning av aluminiumoxid-zirkoniumoxidkompositer ger ytterligare fördelar; här, zirkoniumoxidkorn i en aluminiumoxidmatris genomgår en metastabil fas där deras korn omvandlas från tetragonala till monokliniska strukturer, minskar således spänningsinducerad sprickbildning genom att öka motståndet mot nötning och stötar. Aluminiumoxidhärdad zirkoniumoxid uppstår vanligtvis genom pyrofor reaktion som involverar zirkonium(IV) oxidoktahydrat, Aluminiumnitrat Nanohydrat Trietylamin och HNO3(Salpetersyra); ökande partikelstorlekar underlättar ytterligare spridningen av metastabila zirkoniumoxidkorn.