Oxit zirconium và oxit nhôm kết hợp với nhau tạo ra Alumina cường lực Zirconia (ZTA), một vật liệu đặc biệt trong nhiều ứng dụng. Tính chất cơ học, sức mạnh, độ dẻo dai gãy xương, độ đàn hồi, độ cứng và khả năng chống mài mòn được đánh giá cao ở loại vật liệu gốm composite này thuộc nhóm vật liệu tổng hợp AZ. ZTA đã trở thành lựa chọn ưu tiên vì độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn.
Giải mã thành phần và cấu trúc
Trong số những thứ khác, Alumina cường lực Zirconia bao gồm các hạt zirconia phân tán đồng đều trong một ma trận alumina. Thông thường, điều này bao gồm 10-20% thể tích ZrO2 trong alumina. Tùy theo tỷ lệ của chúng, hỗn hợp cấu thành góp phần tạo nên gốm sứ với các tính năng cụ thể tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.
Khối xây dựng: Alumina và Zirconia
Thành phần chính được trộn lẫn để tạo thành ZTA là alumina và zirconia. Hơn thế nữa, cấy ghép chỉnh hình đã sử dụng vật liệu gốm này được gọi là Oxit nhôm (Al2O3) trong lịch sử nhờ khả năng tương thích sinh học tốt cũng như độ bền cơ học và khả năng chống gãy xương tuyệt vời.
Một đặc tính nổi bật khác của zirconia là tốc độ ăn mòn thấp cũng như độ ổn định hóa học tốt và độ bền cơ học cao.. Mô đun Young của nó có cùng độ lớn với hợp kim thép không gỉ.
Nó được tạo ra như thế nào
Để sản xuất ZTA có nghĩa là tạo ra các hạt zirconia pha tứ giác phân bố đồng đều trong toàn bộ ma trận alumina. Nồng độ ứng suất tại đầu vết nứt có thể làm thay đổi cấu trúc tinh thể tứ giác thành cấu trúc đơn tà do đó dẫn đến sự gia tăng liên quan về thể tích của zirconia. Sự giãn nở thể tích như vậy sẽ đảo ngược hoặc ngăn chặn sự phát triển của vết nứt một cách hiệu quả, dẫn đến độ bền và độ bền cao hơn.
Tính chất cơ học của gốm sứ ZrO2-Al2O3
ZTA có nhiều đặc tính cơ học bao gồm độ cứng vượt trội so với alumina thông thường có giá trị mật độ tương tự, độ bền uốn cao hơn alumin thông thường và thấp hơn hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính của zirconia thông thường (CLTE).
Alumina cường lực Zirconia có độ bền cơ học cao và chịu nhiệt nên không bị ăn mòn. Dưới đây là một số tài sản của ZTA:
Giá trị tài sản
Công thức hóa học Zr-Al2O3
Tỉ trọng 4.1-4.38 g/cm^3
độ cứng 1750-2100 Cái nút
độ đàn hồi 45-49 x 10^6 psi
Độ bền uốn 100-145 ksi
Tỷ lệ Poisson 0.26
độ dẻo dai gãy xương 5-7 MPa m^1/2
Hệ số giãn nở nhiệt 8.0-8.1 x 10^-6 1/C
Độ dẫn nhiệt 20.0-21.0 W/mK
Chống sốc 325 °C
Nhiệt độ làm việc tối đa 1650 °C
Ứng dụng của gốm sứ ZrO2-Al2O3
Zirconia Toughened Alumina được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như những ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống mài mòn. Chúng bao gồm các con dấu van, tay áo, piston bơm, vòi phun và các bộ phận công nghiệp khác.
Khả năng tương thích sinh học của ZTA
Trong các nghiên cứu khác nhau, ZTA đã được báo cáo là không tạo ra phản ứng mô bất lợi khi cấy ghép, do đó làm cho nó trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các bộ phận chịu lực chỉnh hình. Ngoài ra, độ cứng, độ dẻo dai và sức mạnh được thể hiện bởi gốm sứ zirconia-alumina khiến chúng phù hợp với các bộ phận chịu lực chỉnh hình.
ZTA trong phẫu thuật khớp hông
Đã có những cuộc thảo luận đáng kể về gốm sứ như alumina, alumina zirconia và zirconia cứng (ZTA) là vật liệu phù hợp trong phẫu thuật tạo hình khớp háng . Những ưu điểm này của ZTA đã đạt được mà không cần phải kết hợp những nhược điểm liên quan đến zirconia ổn định bằng yttria có tính chất cơ học cao hoặc alumina với độ trơ cao..
ZTA trong phẫu thuật khớp gối
Hầu hết, thiết kế cấy ghép gốm cho phẫu thuật khớp gối toàn bộ (TKA) đã được phát triển để giải quyết vấn đề phản ứng dị ứng có thể xảy ra ở bệnh nhân khi các thành phần hợp kim titan hoặc coban-crom hiện đại giải phóng các hạt mài mòn. Alumina cường lực Zirconia (ZTA) Matrix Composite là vật liệu sinh học tiên tiến cho các ứng dụng như vậy.
ZTA: Tương lai đầy hứa hẹn
Điều này liên quan đến việc nghiên cứu và phát triển liên tục về các cách cải thiện các thuộc tính của ZTA và các ứng dụng tiềm năng của nó.. Một loại Alumina cường lực Zirconia được xử lý hàng loạt khác đã được thiết kế với các đặc tính cơ học về độ bền uốn thấp hơn đáng kể so với các đặc tính cơ học từ Biolox® Delta có bán trên thị trường. Khác, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp gốm silicon nitride được giới thiệu gần đây trong phẫu thuật tạo hình khớp hông cũng cho thấy độ bền cao hơn alumina. Tương lai tươi sáng cho ZTA với nhiều ứng dụng và đặc tính ưu việt. Vì thế, với công nghệ ngày càng phát triển, người ta kỳ vọng rằng ZTA sẽ là cơ sở cho các khái niệm mới trên nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là về y sinh.