เซอร์โคเนียมออกไซด์และอลูมิเนียมออกไซด์รวมกันทำให้เซอร์โคเนียมแกร่งอลูมินา (ซีทีเอ), วัสดุพิเศษในการใช้งานหลายอย่าง. คุณสมบัติทางกล, ความแข็งแกร่ง, ความเหนียวแตกหัก, ความยืดหยุ่น, ความแข็งและความต้านทานการสึกหรอได้รับความนิยมอย่างสูงในวัสดุเซรามิกคอมโพสิตซึ่งอยู่ในประเภทคอมโพสิต AZ. ZTA กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับความแข็งแรงเชิงกลสูง, ความต้านทานความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อน.
การถอดรหัสองค์ประกอบและโครงสร้าง
เหนือสิ่งอื่นใด, Zirconia Toughened Alumina ประกอบด้วยเม็ดเซอร์โคเนียที่กระจายตัวสม่ำเสมอภายในเมทริกซ์อลูมินา. โดยทั่วไป, ซึ่งรวมถึง 10-20% ปริมาตรของ ZrO2 ในอลูมินา. ขึ้นอยู่กับสัดส่วนของพวกเขา, ส่วนผสมที่เป็นส่วนประกอบมีส่วนทำให้เซรามิกมีคุณสมบัติเฉพาะขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ.
หน่วยการสร้าง: อลูมินาและเซอร์โคเนีย
ส่วนประกอบหลักที่ผสมจนเกิดเป็น ZTA ได้แก่ อลูมินาและเซอร์โคเนีย. นอกจากนี้, การปลูกถ่ายกระดูกและข้อได้ใช้วัสดุเซรามิกนี้ที่เรียกว่าอลูมิเนียมออกไซด์ (อัล2O3) ในประวัติศาสตร์เนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี เช่นเดียวกับความแข็งแรงทางกลที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานการแตกหัก.
คุณสมบัติที่โดดเด่นอีกประการหนึ่งของเซอร์โคเนียคืออัตราการกัดกร่อนที่ต่ำ รวมถึงความเสถียรทางเคมีที่ดีและความแข็งแรงเชิงกลสูง. โมดูลัสของ Young อยู่ในลำดับความสำคัญเดียวกันกับโลหะผสมสแตนเลส.
มันถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร
การผลิต ZTA หมายถึงการสร้างเม็ดเซอร์โคเนียเฟสเตตระโกนัลที่มีการกระจายสม่ำเสมอทั่วทั้งเมทริกซ์อลูมินา. ความเข้มข้นของความเครียดที่ปลายรอยแตกสามารถเปลี่ยนโครงสร้างผลึกเตตร้าโกนัลให้เป็นโมโนคลินิกได้ ซึ่งส่งผลให้ปริมาณเซอร์โคเนียเพิ่มขึ้นที่เกี่ยวข้อง. การขยายปริมาตรดังกล่าวสามารถย้อนกลับหรือหยุดการเติบโตของรอยแตกร้าวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้มีความเหนียวและแข็งแรงมากขึ้น.
สมบัติทางกลของเซรามิก ZrO2-Al2O3
ZTA มีคุณสมบัติทางกลที่หลากหลาย รวมถึงความแข็งที่เหนือกว่าอลูมินาทั่วไปที่มีค่าความหนาแน่นใกล้เคียงกัน, ความแข็งแรงดัดงอสูงกว่าอลูมินาทั่วไปและต่ำกว่าค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นของเซอร์โคเนียทั่วไป (ซีแอลทีอี).
อลูมินาแกร่งเซอร์โคเนียมีความแข็งแรงเชิงกลสูงและทนต่อความร้อนจึงไม่กัดกร่อน. ด้านล่างนี้คือคุณสมบัติบางส่วนของ ZTA:
มูลค่าทรัพย์สิน
สูตรทางเคมี Zr-Al2O3
ความหนาแน่น 4.1-4.38 ก./ซม.^3
ความแข็ง 1750-2100 ปุ่ม
ความยืดหยุ่น 45-49 x 10^6 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว
ความแข็งแรงของแรงดัดงอ 100-145 ksi
อัตราส่วนของปัวซอง 0.26
ความเหนียวแตกหัก 5-7 เมกะปาสคาล ม^1/2
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน 8.0-8.1 x 10^-6 1/ซ
การนำความร้อน 20.0-21.0 W/mK
ทนต่อแรงกระแทก 325 องศาเซลเซียส
อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด 1650 องศาเซลเซียส
การใช้งานเซรามิก ZrO2-Al2O3
Zirconia Toughened Alumina ใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น งานที่ต้องการความแข็งแรงสูงและทนต่อการสึกหรอ. ซึ่งรวมถึงซีลวาล์ว, แขนเสื้อ, ลูกสูบปั๊ม, หัวฉีดพ่นและชิ้นส่วนอุตสาหกรรมอื่นๆ.
ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ ZTA
ในการศึกษาต่างๆ, มีรายงานว่า ZTA ไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ของเนื้อเยื่อเมื่อมีการปลูกถ่าย ดังนั้นจึงเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับส่วนประกอบรับน้ำหนักทางออร์โธพีดิกส์. นอกจากนี้, ความแข็ง, ความเหนียวและความแข็งแกร่งที่แสดงโดยเซรามิกเซอร์โคเนีย-อลูมินาทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบรับน้ำหนักทางศัลยกรรมกระดูก.
ZTA ในการผ่าตัดเปลี่ยนข้อสะโพก
มีการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับเซรามิก เช่น อลูมินา, เซอร์โคเนียและเซอร์โคเนียอลูมินาแกร่ง (ซีทีเอ) เป็นวัสดุที่เหมาะสมในการผ่าตัดเปลี่ยนข้อสะโพก . ข้อดีของ ZTA เหล่านี้เกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องรวมข้อเสียที่เกี่ยวข้องกับเซอร์โคเนียเสถียรอิตเทรีย ซึ่งมีคุณสมบัติเชิงกลสูงหรืออลูมินาที่มีความเฉื่อยสูง.
ZTA ในการผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่า
ส่วนใหญ่, การออกแบบการปลูกถ่ายเซรามิกสำหรับการผ่าตัดเปลี่ยนข้อเข่าทั้งหมด (ทีเคเอ) ได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับปัญหาอาการแพ้ที่อาจเกิดขึ้นในผู้ป่วยเมื่อส่วนประกอบโลหะผสมไทเทเนียมหรือโคบอลต์โครเมียมสมัยใหม่ปล่อยอนุภาคการสึกหรอ. อลูมินาแกร่งเซอร์โคเนีย (ซีทีเอ) Matrix Composite เป็นวัสดุชีวภาพที่ล้ำสมัยสำหรับการใช้งานดังกล่าว.
ซีทีเอ: อนาคตที่สดใส
สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการวิจัยอย่างต่อเนื่องตลอดจนการพัฒนาวิธีปรับปรุงคุณลักษณะของ ZTA และการใช้งานที่เป็นไปได้. อลูมินาแกร่งเซอร์โคเนียที่ผ่านกระบวนการแบทช์อีกตัวหนึ่งได้รับการออกแบบด้วยคุณสมบัติเชิงกลในแง่ของความแข็งแรงดัดงอน้อยกว่าคุณสมบัติจาก Biolox® Delta ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดอย่างมาก. อื่น, เช่นคอมโพสิตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เพิ่งนำมาใช้ในการผ่าตัดเปลี่ยนข้อสะโพกยังมีความแข็งแรงสูงกว่าอลูมินา อนาคตสดใสสำหรับ ZTA ด้วยการใช้งานมากมายและคุณสมบัติที่เหนือกว่า. ดังนั้น, ด้วยเทคโนโลยีที่ก้าวหน้า, เป็นที่คาดหวังว่า ZTA จะเป็นพื้นฐานสำหรับแนวคิดใหม่ในด้านต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านชีวเวชศาสตร์.