Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA)

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA) je uměle vyrobená keramika, která kombinuje vlastnosti oxidu hlinitého a zirkonové keramiky a zajišťuje mechanickou pevnost a odolnost proti tepelným šokům, takže je vhodná pro ortopedické aplikace, jako jsou hlavice stehenních kostí a acetabulární vložky, a pro průmyslové aplikace, jako jsou těsnění ventilů, pouzdra, součásti čerpadel, řezné nástroje, součásti motorů a těsnění ventilů. Lze jej nalézt v ortopedických aplikacích, jako jsou femorální hlavice a acetabulární vložky, zatímco průmyslové aplikace zahrnují těsnění ventilů pouzdra těsnění ventilů pouzdra díly čerpadel řezné nástroje řezné nástroje nebo součásti motorů.

ZTA se vyrábí gelováním za použití práškového oxidu hlinitého a yttrií stabilizovaného zirkoničitého prášku. Tento proces zahrnuje přípravu suspenze, formování, sušení rozpouštědlem s osmotickým i vzduchovým sušením, pyrolýzu a spékání jako konečné kroky.

Houževnatost

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý je ideálním materiálem pro aplikace vyžadující vysokou pevnost i houževnatost, neboť vzniká transformací jemných tetragonálních částic zirkonu do matrice oxidu hlinitého vyvolanou napětím. Tímto procesem vzniká rovnoměrné rozložení velikosti částic, které zajišťuje vynikající mechanické vlastnosti, jako je tvrdost, lomová houževnatost a houževnatost, a navíc poskytuje chemickou odolnost a odolnost proti opotřebení.

Částice zirkonia rozptýlené v matrici oxidu hlinitého se obecně nemohou měnit v důsledku chemických interakcí mezi nimi a částicemi oxidu hlinitého, ale mohou být aktivovány při namáhání a podléhat transformaci. Transformované částice zirkonia vytvářejí na čelech trhlin tlaková napětí, která brání jejich šíření; jejich transformace vede k větší houževnatosti než u tradičního oxidu hlinitého.

Claussen poprvé popsal transformační houževnatost v roce 1976 a je charakterizována tím, že částice interagují s čelem trhliny, čímž ji vychylují a současně vytvářejí tlaková napětí před hroty trhliny, čímž zvyšují lomovou houževnatost materiálů (Claussen 1976). Tento efekt zvyšuje lomovou houževnatost.

ZTA lze vyrábět pomocí izostatického lisování za tepla a je vhodný pro materiály ložiskových párů kyčelních náhrad, neboť prokázal lepší životnost ve srovnání s keramickými femorálními hlavicemi z yttrií stabilizovaného zirkonia (Y-TZP) (obrázek 7.10). Kromě toho jeho vysoký obsah oxidu hlinitého a vyšší hustota pomáhají zmírnit jevy stárnutí, které jsou pozorovány u Y-TZP a které způsobují přehnanou t-m transformaci a mechanickou degradaci v průběhu času (obrázek 7.11 a 7.12).

ZTA je vynikajícím materiálem pro lékařské implantáty, které musí být odolné vůči korozi a působení tělesných tekutin, jako jsou například implantáty používané na operačních sálech a v operačních turbínách. Ve srovnání s tradičním oxidem hlinitým nabízí ZTA vynikající odolnost proti chemické korozi; odolává drsnému prostředí, aniž by došlo k jeho degradaci nebo selhání. Kromě toho se ZTA může pochlubit výjimečnou odolností proti teplotním šokům, což znamená, že snáší rychlé změny teplot, jako jsou součásti pecí a součásti turbínových motorů, aniž by pod tlakem praskaly nebo se lámaly.

Odolnost

Kompozity AZ jsou extrémně houževnaté díky částicím tvrzeného zirkonu rozptýleným v matrici oxidu hlinitého. Při vystavení namáhání částice změní svou krystalovou strukturu z tetragonální na monoklinickou formu, což způsobí objemovou expanzi a stlačení, které pomáhá zastavit šíření trhlin - tato vlastnost známá jako transformační kalení činí ZTA od společnosti HMA Wear Solutions ideální pro aplikace vyžadující vysokou pevnost, houževnatost a tvrdost.

Trvanlivost se dále zvyšuje při vystavení tepelnému šoku. Částice zirkonia rozptýlené v matrici z oxidu hlinitého absorbují energii z rychlých teplotních změn a chrání je před lámáním a praskáním v důsledku napětí způsobeného náhlými změnami teploty. Keramiku tak lze bezpečně používat v zařízeních vystavených náhlým a intenzivním teplotním změnám, jako jsou součásti pecí nebo díly turbínových motorů, aniž by hrozilo jejich selhání.

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý je známý svou odolností proti korozi. Proto jej lze použít v zařízeních, která přijdou do styku s korozivními kapalinami nebo chemikáliemi, jako jsou leptací kyseliny a čisticí prostředky. Kromě toho je tento materiál díky své odolnosti proti mechanickému opotřebení vhodný pro lékařské implantáty nebo zařízení, která přicházejí do styku s tělesnými tekutinami nebo chemikáliemi, jako jsou například čisticí roztoky.

Díky své trvanlivosti a odolnosti proti korozi se kompozitní materiály ze zirkonu a oxidu hlinitého (ZTA) používají v mnoha průmyslových odvětvích. Výrobci řezných nástrojů často volí při výrobě řezných nástrojů pevné a přitom houževnaté materiály ZTA; navíc se začal hojně používat při výrobě zdravotnického vybavení, jako jsou ortopedické implantáty, například hlavice stehenní kosti a acetabulární vložky.

Materiály ZTA používané v lékařských aplikacích dobře obstojí díky své vyšší lomové houževnatosti - až 20krát vyšší než u samotného oxidu hlinitého - což pomáhá snižovat riziko křehkého selhání, které by mohlo mít nepříznivé zdravotní účinky na pacienty.

Odolnost proti korozi

Tvrzený oxid zirkoničitý je tvrdý, křehký materiál, který je navržen tak, aby odolával vysokým teplotám a drsnému prostředí. Odolává korozi a chemickým vlivům a má četné využití v průmyslových odvětvích, jako je letectví, výroba a automobilový průmysl - a také vynikající mechanickou pevnost, odolnost proti tepelným šokům a nízkou míru opotřebení.

Keramika ZTA se od tradiční keramiky liší tím, že se skládá z kompozitů oxidu hlinitého a zirkonia, které se vyrábějí smícháním těchto materiálů v suspenzi před spékáním za zvýšené teploty. Spékáním vznikají jemně rozptýlené částice zirkonu tetragonální fáze v matrici z oxidu hlinitého; když se přes tuto matrici šíří trhliny, jejich energie vyvolává fázové přeměny, které způsobují objemovou expanzi, jež účinně působí proti veškerým přítomným napětím; to způsobuje, že se v ní na více místech objevují vychýlené trhliny, které rozptylují energii trhliny a zároveň ji celkově rozptylují.

Složení tohoto materiálu lze přizpůsobit zamýšlenému použití, přičemž poměr oxidu hlinitého a zirkonu lze upravit podle potřeby tak, aby vyhovoval jedinečným požadavkům. Do složení lze například přidat více oxidu zirkoničitého pro zvýšení pevnosti v tahu, zatímco více oxidu hlinitého zvýší odolnost proti hydrotermálnímu stárnutí a korozi.

Produktová řada ZTA-96 byla vyvinuta s cílem nabídnout cenově výhodná řešení pro aplikace vyžadující odolnost proti opotřebení, korozi a vysokým teplotám. Tato keramika, která je k dispozici v různých tvarech a velikostech s možností přizpůsobení tolerancí a povrchových úprav, může zajistit spolehlivý výkon v náročných aplikacích.

Tvrzený oxid zirkoničitý je již dlouho uznáván pro svou odolnost proti opotřebení a korozi a také pro svou vynikající chemickou stabilitu - obě tyto vlastnosti jej předurčují k použití ve zdravotnictví, kde s ním přicházejí do styku tělesné tekutiny nebo chemikálie. Kromě toho je zirkonium považováno za atraktivního kandidáta pro zubní a chirurgické implantáty díky svým vynikajícím vlastnostem biologické kompatibility.

Biolox Delta společnosti CeramTec z německého Plochingenu byl uveden do komerčního prodeje jako jeden z prvních komerčně dostupných materiálů ZTA v roce 2000 jako materiál pro implantáty nahrazující hlavice femorů a acetabulární vložky. Skládá se z matrice oxidu hlinitého vyztužené zirkonem a hlinitanem stroncia, které zajišťují mechanismy otupení hrotu trhliny a mechanismy zpevnění; spolu s oxidem chromu zabraňuje korozi při nízkých teplotách; podle zpráv společnosti CeramTec bylo s použitím této náhradní keramiky implantováno více než 320 000 femorálních hlavic a 160 000 vložek.

Odolnost proti teplotním šokům

Zirkoniová zrna v kombinaci s matricí z oxidu hlinitého vytvářejí materiál s výjimečnou odolností proti tepelným šokům, který je ideální pro aplikace při extrémních teplotách. Kromě toho mají kompozity oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého tendenci překonávat čistý oxid hlinitý, pokud jde o trvanlivost, a to i při dlouhodobém působení pískování.

ZTA se vyznačuje vysokou lomovou houževnatostí, což z něj činí ideální materiál pro aplikace, kde nejsou žádoucí křehké materiály. Pro dosažení maximální pevnosti a houževnatosti však musí být hlinitokřemičité kompozity správně slinuty a zhutněny; příliš nízká teplota by mohla mít za následek bodové vady a sníženou pevnost v ohybu - proto by se měla používat teplota 1550 stupňů C, aby se zajistilo optimální slinutí a rozložení velikosti částic.

Kompozity oxidu hlinitého a zirkonu poskytují vynikající odolnost proti opotřebení řezných nástrojů a dalších abrazivních součástí a mají nízké tření, což zvyšuje chemickou inertnost a snižuje náklady ve srovnání s podobnými materiály používanými pro ortopedické implantáty. Kombinace jejich vlastností činí tyto kompozity velmi žádoucími ve zdravotnických aplikacích.

Namáhání kompozitů oxidu hlinitého a zirkonia způsobuje, že metastabilní tetragonální zirkonium se transformuje na monoklinické zirkonium a dochází k objemové expanzi krystalů zirkonia, což odsouvá hroty trhlin a zároveň zvyšuje houževnatost - tento efekt je známý jako transformační zpevnění vyvolané napětím.

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý je známý tím, že je pevný a odolný a zároveň elektricky izoluje - to z něj dělá fantastickou volbu materiálu pro komponenty, které vyžadují jak mechanickou, tak elektrickou izolaci, jako jsou například pouzdra.

Kompozity oxidu hlinitého a zirkonu vyrobené s použitím yttrií stabilizovaného zirkonu (8YSZ) se ukázaly být lepší než kompozity vyrobené s použitím nestabilizovaného oxidu hlinitého, a to při stejně konkurenceschopné ceně. Ideální aplikace zahrnují aplikace, kde je nezbytná jak odolnost proti otěru, tak dobré elektroizolační vlastnosti - teploty až 1500 stupňů C jsou v jeho možnostech!