الألومينا المقواة بالزركونيا (ZTA)

زركونيا الألومينا المقواة بالألومينا (ZTA) عبارة عن سيراميك مصمم هندسيًا يجمع بين خصائص كل من الألومينا وسيراميك الزركونيا لتوفير القوة الميكانيكية ومقاومة الصدمات الحرارية، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات تقويم العظام مثل رؤوس الفخذ وبطانات التجویف الحقي، والتطبيقات الصناعية مثل موانع تسرب الصمامات والبطانات وأجزاء المضخات وأدوات القطع ومكونات المحرك وموانع تسرب الصمامات. يمكن العثور عليه في تطبيقات تقويم العظام مثل رؤوس الفخذ وبطانات التجصيص الحقي بينما تشمل التطبيقات الصناعية موانع تسرب الصمامات البطانات موانع تسرب الصمامات البطانات أجزاء المضخات أدوات القطع أو مكونات المحرك.

يتم إنتاج ZTA من خلال الصب الهلامي باستخدام مساحيق الألومينا المسحوقة ومساحيق الزركونيا المثبتة بالإيتريا. وتشمل هذه العملية تحضير الملاط، والقولبة، والتجفيف بالمذيبات مع كل من عمليات التجفيف التناضحي والتجفيف بالهواء، والتحلل الحراري، والتلبيد كخطوات نهائية.

الصلابة

تُعد الألومينا المقواة بالزركونيا مادة مثالية للتطبيقات التي تتطلب قوة وصلابة عالية، حيث يتم إنتاجها من خلال التحويل المستحث بالإجهاد لجزيئات الزركونيا رباعية الزركونيا الدقيقة إلى مصفوفة ألومينا. وتنتج هذه العملية توزيعاً موحداً لحجم الجسيمات مما ينتج عنه خواص ميكانيكية فائقة مثل الصلابة وصلابة الكسر والمتانة - بالإضافة إلى توفير مقاومة كيميائية ومقاومة للتآكل.

يتم منع جزيئات الزركونيا المنتشرة داخل مصفوفة الألومينا من التغيّر بشكل عام بسبب التفاعلات الكيميائية بينها وبين جزيئات الألومينا، ولكن قد يتم تنشيطها عند الضغط عليها لتخضع للتحول. تخلق جزيئات الزركونيا المتحولة ضغوطًا انضغاطية في جبهات الشقوق التي تمنع الانتشار؛ ويؤدي تحولها إلى صلابة أكبر من الألومينا التقليدية.

وصف Claussen لأول مرة التقوية التحويلية في عام 1976، وتتميز بتفاعل الجسيمات مع جبهات الشقوق لحرفها مع خلق إجهادات انضغاطية في الوقت نفسه قبل أطراف الشقوق، وبالتالي زيادة صلابة الكسر للمواد (Claussen 1976). يزيد هذا التأثير من صلابة الكسر.

يمكن إنتاج ZTA باستخدام الكبس المتساوي الحرارة وهو مناسب تمامًا للمواد المزدوجة الحاملة لاستبدال مفصل الورك، حيث أظهر قدرة فائقة على البقاء على قيد الحياة مقارنةً برؤوس الفخذ الخزفية المصنوعة من الزركونيا المثبتة بالإيتريا (Y-TZP) (الشكل 7-10) (الشكل 7-10). علاوةً على ذلك، يساعد محتواه الكبير من الألومينا وكثافته العالية في التخفيف من ظواهر الشيخوخة التي تظهر في Y-TZP التي تسبب تحولًا مبالغًا فيه في t-m وتدهورًا ميكانيكيًا بمرور الوقت (الشكل 7.11 و7.12).

تُعد ZTA خيارًا ممتازًا من المواد للغرسات الطبية التي يجب أن تكون مقاومة للتآكل والتعرض للسوائل الجسدية، مثل تلك المستخدمة في غرف العمليات ومحركات التوربينات العاملة. وبالمقارنة مع الألومينا التقليدية، توفر مادة ZTA مقاومة فائقة ضد التآكل الكيميائي؛ حيث يمكنها تحمل البيئات القاسية دون أن تتدهور أو تتعطل. وعلاوةً على ذلك، تتميز ZTA بمقاومة استثنائية للصدمات الحرارية، مما يعني أنها تستطيع تحمل التغيرات السريعة في درجات الحرارة مثل مكونات الأفران ومكونات محركات التوربينات دون أن تتشقق أو تنكسر تحت الضغط.

المتانة

مركبات AZ شديدة الصلابة بسبب جزيئات الزركونيا المقواة المنتشرة داخل مصفوفة الألومينا. عند تعريض الجسيمات للإجهاد، تغيّر الجسيمات بنيتها البلورية من الشكل الرباعي إلى الأحادي مما يسبب تمدد الحجم والانضغاط الذي يساعد على وقف انتشار التشقق - هذه الخاصية المعروفة باسم التقوية التحويلية تجعل ZTA من HMA Wear Solutions مثالية للتطبيقات التي تتطلب مستويات عالية من القوة والمتانة والصلابة.

تزداد المتانة أكثر عند تعرضها لصدمة حرارية. تمتص جزيئات الزركونيا المنتشرة في مصفوفة الألومينا الطاقة الناتجة عن التغيرات السريعة في درجات الحرارة، مما يحميها من الكسر والتشقق بسبب الإجهاد الناجم عن التحولات المفاجئة في درجات الحرارة. وعلى هذا النحو، يمكن استخدام السيراميك بأمان في المعدات التي تتعرض لتغيرات مفاجئة وشديدة في درجات الحرارة مثل مكونات الأفران أو أجزاء محرك التوربينات دون المخاطرة بحدوث عطل.

تشتهر ألومينا زركونيا المقواة بمقاومتها للتآكل. وعلى هذا النحو، يمكن استخدامه في قطع المعدات التي ستتلامس مع السوائل أو المواد الكيميائية المسببة للتآكل مثل أحماض الحفر ومواد التنظيف. وعلاوة على ذلك، فإن مقاومة هذه المادة للتآكل الميكانيكي تجعلها مناسبة للغرسات أو الأجهزة الطبية التي تتلامس مع السوائل الجسدية أو المواد الكيميائية مثل محاليل التنظيف.

نظرًا لمتانتها ومقاومتها للتآكل، تُستخدم مواد مركب زركونيا الألومينا (ZTA) في العديد من الصناعات. وغالبًا ما يختار مصنعو أدوات القطع مواد ZTA القوية والمتينة في الوقت ذاته عند تصنيع أدوات القطع؛ بالإضافة إلى ذلك، أصبحت تُستخدم على نطاق واسع في إنتاج المعدات الطبية مثل أجهزة زراعة العظام مثل رؤوس الفخذ وبطانات التجویف الحقي.

تصمد مواد ZTA المستخدمة في التطبيقات الطبية بشكل جيد بسبب صلابتها العالية في الكسر - تصل إلى 20 مرة أكثر من الألومينا وحدها - مما يساعد على تقليل مخاطر الفشل الهش الذي قد يسبب آثارًا صحية ضارة للمرضى.

مقاومة التآكل

زركونيا الألومينا المقواة هي مادة صلبة وهشة مصممة لتحمل درجات الحرارة العالية والبيئات القاسية. وهي تقاوم التآكل والهجوم الكيميائي ولها العديد من التطبيقات في صناعات مثل الفضاء والتصنيع وتطبيقات السيارات - بالإضافة إلى القوة الميكانيكية الفائقة ومقاومة الصدمات الحرارية ومعدلات التآكل المنخفضة.

يختلف سيراميك ZTA عن السيراميك التقليدي من حيث أنه يتكون من مركبات الألومينا والزركونيا على حد سواء، ويتم إنتاجه عن طريق خلط هذه المواد في معلق قبل التلبيد في درجات حرارة مرتفعة. ينتج عن التلبيد جزيئات زركونيا رباعية الزركونيا ذات الطور الرباعي المشتتة بدقة داخل مصفوفة الألومينا؛ وعندما تتقدم الشقوق عبر هذه المصفوفة، تؤدي طاقتها إلى تحولات طورية تنتج تمددًا في الحجم يقاوم بفعالية أي ضغوط موجودة؛ وهذا يؤدي إلى ظهور كسور منحرفة في مواقع متعددة داخلها، مما يؤدي إلى تشتيت طاقة الكسر مع تبديد طاقة الكسر في الوقت نفسه.

يمكن تكييف تركيبة هذه المادة وفقًا للاستخدام المقصود منها، حيث يمكن تعديل نسبة الألومينا والزركونيا حسب الضرورة لتتناسب مع متطلباتها الفريدة. على سبيل المثال، يمكن إضافة المزيد من الزركونيا إلى تركيبته لزيادة قوة الشد بينما يمكن إضافة المزيد من الألومينا لزيادة المقاومة ضد التقادم الحراري المائي والتآكل.

تم تطوير خط إنتاج ZTA-96 لتقديم حلول فعالة من حيث التكلفة للتطبيقات التي تتطلب التآكل والتآكل والاستقرار في درجات الحرارة العالية. يتوفر هذا السيراميك في مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام مع توفر تفاوتات وتشطيبات مخصصة، ويمكن لهذا السيراميك أن يوفر أداءً موثوقًا في التطبيقات الصعبة.

لطالما اشتهرت الألومينا المقواة من الزركونيا بمقاومتها للتآكل والتآكل، فضلاً عن ثباتها الكيميائي الممتاز - وكلتا الميزتين تجعلها مناسبة تماماً للتطبيقات الطبية التي تتلامس فيها السوائل الجسدية أو المواد الكيميائية معها. وعلاوة على ذلك، يعتبر الزركونيا مرشحاً جذاباً لغرسات الأسنان والجراحة نظراً لخصائصه الفائقة في التوافق البيولوجي.

تم طرح مادة بيولوكس دلتا من شركة سيرامتيك في بلوخينجن بألمانيا للبيع التجاري كواحدة من أولى مواد ZTA المتاحة تجارياً في عام 2000 كمادة بديلة للغرسات لرؤوس الفخذ وبطانات التجویف الحقي. تتكون هذه المادة من مصفوفة من الألومينا المعززة بالزركونيا وألومينات السترونتيوم التي توفر آليات لتقليل التشقق في أطراف الشقوق وآليات للتقوية؛ إلى جانب أكسيد الكروم لمنع التآكل في ظروف درجات الحرارة المنخفضة؛ وقد تم زراعة أكثر من 320,000 رأس فخذ و160,000 حشوة باستخدام هذا السيراميك الترميمي وفقًا لتقارير سيرامتيك.

مقاومة الصدمات الحرارية

تنتج حبيبات الزركونيا مع مصفوفة الألومينا مادة ذات مقاومة استثنائية للصدمات الحرارية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تنطوي على درجات حرارة قصوى. وعلاوة على ذلك، تميل مركبات الألومينا-زركونيا إلى التفوق على الألومينا النقية من حيث المتانة حتى في ظل التعرض للسفع الرملي لفترات طويلة.

توفر ZTA صلابة عالية للكسر، مما يجعلها خيارًا مثاليًا للمواد في التطبيقات التي لا تكون فيها المواد الهشة مرغوبة. ومع ذلك، للحصول على أقصى قدر من القوة والمتانة، يجب تلبيد مركبات الألومينا-زركونيا وضغطها بشكل صحيح؛ قد تؤدي درجة الحرارة المنخفضة للغاية إلى عيوب نقطية وانخفاض قوة الانثناء - ولهذا السبب يجب استخدام 1550 درجة مئوية لضمان الاندماج الأمثل وتوزيع حجم الجسيمات.

وتوفر مركبات الألومينا-زركونيا مقاومة ممتازة للتآكل في أدوات القطع والمكونات الكاشطة الأخرى، وتتميز بانخفاض الاحتكاك لتوفر خمولاً كيميائياً إضافياً وتكلفة أقل مقارنةً بالمواد المماثلة المستخدمة في غرسات تقويم العظام. هذا المزيج من الخصائص يجعل هذه المركبات مرغوبة للغاية في التطبيقات الطبية.

يؤدي الضغط على مركبات الألومينا-زركونيا المركّبة إلى خضوع الزركونيا رباعية الزركونيا المستقرة للتحول إلى زركونيا أحادية الزركونيا والتسبب في تمدد حجم بلورات الزركونيا، مما يؤدي إلى دفع أطراف التشققات إلى الخلف مع تحسين الصلابة - يُعرف هذا التأثير باسم التقوية الناتجة عن الإجهاد.

تشتهر الألومينا المقواة من زركونيا بكونها قوية ومتينة وفي الوقت نفسه عازلة للكهرباء - وهذا يجعلها خيارًا رائعًا للمكونات التي تتطلب عزلًا ميكانيكيًا وكهربائيًا في آن واحد، مثل الأكمام.

أثبتت مركبات الألومينا-زركونيا المصنوعة باستخدام الزركونيا المثبتة بالإيتريا (8YSZ) تفوقها على تلك المصنعة باستخدام الألومينا غير المثبتة، بتكلفة تنافسية بنفس القدر. تشمل الاستخدامات المثالية التطبيقات التي تكون فيها مقاومة التآكل وخصائص العزل الكهربائي الجيدة ضرورية - حيث تصل درجة الحرارة إلى 1500 درجة مئوية في حدود قدرتها!