Цирконій, загартований оксид алюмінію

Загартований окис цирконію (ZTA) це передовий керамічний матеріал, який широко використовується в ущільненнях клапанів, втулки, компоненти насоса та ріжучі інструменти завдяки міцності та хімічній стабільності – про що свідчить його здатність витримувати значні навантаження без істотної деградації.

ZTA може похвалитися вражаючою стійкістю до термічного удару та може витримувати різкі зміни температури, а також швидкі перепади температури. Читайте далі, щоб дізнатися більше про його механічні властивості!

Твердість

Цирконій, доданий до матриці оксиду алюмінію, підвищує її твердість, в'язкість до руйнування та міцність на вигин, підвищуючи стійкість до зношування та ерозії. Механізм, як правило, включає фазове перетворення з наступним утворенням мікротріщин, але також може включати теорію напруги, якщо це можливо.

Метастабільні тетрагональні виділення діоксиду цирконію, які утворюють дрібну дисперсію в матриці оксиду алюмінію, можуть зазнавати спонтанного перетворення в моноклінні форми, коли їх обмеження знімається під час поширення тріщини, забезпечення енергії проти полів напруги, що спричиняють поширення тріщин.

Кераміка ZTA має вищу в’язкість до руйнування та твердість порівняно з іншою інженерною керамікою на основі оксиду., а також подвоєну циклічну втомну міцність Y-TZP. Як таке, його властивості роблять його придатним для застосувань, що вимагають надзвичайної зносостійкості, хімічна інертність і низьке тертя, а також висока міцність і жорсткість.

Міцність на згин

Кераміку ZTA можна виготовити шляхом зміни співвідношення стабілізованого оксиду цирконію ітрію (Y-TZP) всередині матриці оксиду алюмінію за допомогою гарячого ізостатичного пресування, для оптимізації комбінацій твердості, в'язкості до руйнування та міцності на вигин, що забезпечує неперевершену стійкість до циклічної втоми, що перевершує найсучаснішу технічну кераміку.

Метастабільний Y-TZP в матриці оксиду алюмінію призводить до утворення фазових агломератів тетрагонально-моноклінного перетворення, які підвищують в’язкість до руйнування через посилення фазового перетворення (Клаузен 1976). Переважно перетинають тріщини, ці перехідні агломерати будуть стискати зону перед фронтом тріщини та зменшувати її прогресування, в кінцевому підсумку підвищуючи міцність на руйнування.

Ця структура матеріалу призвела до створення композитів оксиду алюмінію та цирконію, таких як BIOLOX Delta, широко використовується для повної заміни кульшового суглоба та інших несучих ортопедичних компонентів. Цей керамічний біоматеріал має виняткову зносостійкість, хімічна інертність при кімнатній температурі, стійкість до термічного удару та відмінна хімічна інертність при будь-яких температурах.

Стійкість до корозії

Хімічно інертний і стійкий до високих температур і зносу, він забезпечує кращу продуктивність порівняно з 99 глиноземної кераміки, а також є більш економічно ефективним.

Цирконій також може похвалитися вражаючою міцністю на розрив, властивості при згині та еластичності та біосумісність – що робить його ідеальним для медичних цілей, таких як протезування кульшового суглоба. За рахунок трансформаційного зміцнення в умовах напруги, частинки діоксиду цирконію переходять з метастабільної тетрагональної форми в моноклінну, допомагаючи ефективніше закривати тріщини, підвищуючи міцність на руйнування.

CeramTec (Біолокс Дельта) комерціалізує композит глинозем-цирконій, де нестабілізований діоксид цирконію залишається в тетрагональній фазі, щоб керувати цим перетворенням і забезпечити притуплення вершини тріщини та відхилення тріщини, підвищення міцності глиноземної матриці. Вміст цирконію в матеріалі можна змінити за допомогою підготовки порошку та методів ущільнення.

Стійкість до термічного удару

Цирконій, доданий до первинної глиноземної матриці під час спікання, може значно підвищити її міцність і міцність, створення того, що відомо як ZTA (Цирконій, загартований оксид алюмінію), перевершує звичайну глиноземну кераміку як у механічному, так і в зносостійкому застосуванні.

Загартований оксид цирконію відомий своїми винятковими властивостями, такими як висока гаряча твердість і міцність на розрив, хімічна інертність при кімнатній температурі, низькі коефіцієнти теплового розширення та чудова стійкість до теплового удару – ідеальні властивості для фрезерування компонентів, а також деталей, що зношуються, що потребують механізмів охолодження.

CeramTec випускає на ринок ZTA під назвою Biolox delta, який містить матрицю оксиду алюмінію з диспергованими частинками Y-TZP (17 вага/мас.%) і пластинки алюмінату стронцію (0.5 вага/мас.%), забезпечення ефективної комбінації механізмів перетворення тетрагональної фази в моноклінну та механізмів відхилення тріщин для забезпечення покращеної міцності, що робить його ідеальним для первинних процедур THA на опорних поверхнях стегнової кістки.

Електроізоляція

Загартований оксидом цирконію глинозем може витримувати термічний удар без тріщин або руйнування під час різких змін температури, завдяки диспергованим частинкам оксиду алюмінію, диспергованим у його матриці, які поглинають теплову енергію та створюють напруги стиску, що запобігає руйнуванню.

Глиноземно-цирконієва кераміка більш щільна, ніж її аналог з чистого цирконію, що робить його ідеальним для застосування в електроізоляції. Крім того, його нижче теплове розширення, ніж діоксид цирконію, робить його придатним для деталей, які потребують охолодження.

Трансформаційна міцність глиноземно-цирконієвих композитів має додаткові переваги; тут, зерна діоксиду цирконію в матриці оксиду алюмінію проходять метастабільну фазу, де їхні зерна зазнають трансформації з тетрагональної структури в моноклінну, таким чином зменшується розтріскування, спричинене напругою, завдяки підвищенню стійкості до стирання та удару. Загартований оксидом алюмінію цирконій зазвичай відбувається через пірофорну реакцію за участю цирконію(IV) октагідрат оксиду, Наногідрат нітрату алюмінію, триетиламін і HNO3(Азотна кислота); збільшення розмірів частинок додатково сприяє дисперсії метастабільних зерен діоксиду цирконію.