Hærdet aluminiumoxid af zirkoniumoxid (ZTA)

Zirconia toughened alumina (ZTA) er en teknisk keramik, der kombinerer egenskaberne fra både aluminiumoxid og zirconia-keramik for at give mekanisk styrke og modstandsdygtighed over for termisk chok, hvilket gør den velegnet til ortopædiske anvendelser som lårbenshoveder og acetabulære liners og industrielle som ventiltætninger, bøsninger, pumpedele, skæreværktøjer, motorkomponenter og ventiltætninger. Det findes i ortopædiske anvendelser som lårbenshoveder og acetabularforinger, mens industrielle anvendelser omfatter ventiltætninger bøsninger ventiltætninger bøsninger pumpedele skæreværktøjer skæreværktøjer eller motorkomponenter.

ZTA fremstilles gennem gelcasting ved hjælp af pulveriseret aluminiumoxid og yttriumstabiliseret zirkoniumoxidpulver. Denne proces omfatter forberedelse af opslæmning, støbning, tørring af opløsningsmidler med både osmotiske og lufttørringsprocesser, pyrolyse og sintring som de sidste trin.

Robusthed

Hærdet aluminiumoxid er et ideelt materiale til anvendelser, der kræver både høj styrke og sejhed, idet det fremstilles ved spændingsinduceret omdannelse af fine tetragonale zirkoniumoxidpartikler til en aluminiumoxidmatrix. Denne proces giver en ensartet partikelstørrelsesfordeling, som giver overlegne mekaniske egenskaber som hårdhed, brudstyrke og sejhed - ud over at være kemisk og slidstærk.

Zirkonpartikler, der er spredt i en aluminiumoxidmatrix, forhindres generelt i at ændre sig på grund af kemiske interaktioner mellem dem selv og aluminiumoxidpartikler, men kan aktiveres ved belastning for at gennemgå transformation. Transformerede zirkonpartikler skaber trykspændinger ved revnefronter, der forhindrer udbredelse; deres transformation resulterer i større sejhed end traditionel aluminiumoxid.

Claussen beskrev første gang transformationshårdhed i 1976, og den er kendetegnet ved, at partikler interagerer med revnefronter for at afbøje dem, samtidig med at de skaber trykspændinger foran revnespidserne og dermed øger materialernes brudstyrke (Claussen 1976). Denne effekt øger brudsejheden.

ZTA kan fremstilles ved hjælp af varm isostatisk presning og er velegnet til materialer til hofteproteselejer, idet det har vist sig at have en bedre overlevelse end keramiske femurhoveder fremstillet af yttriumstabiliseret zirconiumdioxid (Y-TZP) (figur 7.10). Desuden hjælper det store indhold af aluminiumoxid og den højere densitet med at afbøde aldringsfænomener, der ses i Y-TZP, og som forårsager overdrevet t-m-transformation og mekanisk nedbrydning over tid (figur 7.11 og 7.12).

ZTA er et fremragende materialevalg til medicinske implantater, der skal være modstandsdygtige over for korrosion og eksponering for kropsvæsker, som f.eks. dem, der bruges i operationsstuer og turbiner. Sammenlignet med traditionel aluminiumoxid har ZTA en overlegen modstandsdygtighed over for kemisk korrosion; det kan modstå barske miljøer uden at blive nedbrudt eller svigte. Desuden har ZTA en enestående modstandsdygtighed over for termisk chok, hvilket betyder, at det kan tåle hurtige temperaturændringer som f.eks. ovnkomponenter og turbinemotorkomponenter uden at revne eller gå i stykker under tryk.

Holdbarhed

AZ-kompositter er ekstremt hårde på grund af de hærdede zirkoniumoxidpartikler, der er spredt i en aluminiumoxidmatrix. Når partiklerne udsættes for stress, ændrer de deres krystalstrukturer fra tetragonal til monoklin form og forårsager volumenudvidelse og kompression, der hjælper med at standse revnedannelse - denne egenskab, der kaldes transformationshærdning, gør ZTA fra HMA Wear Solutions ideel til anvendelser, der kræver høj styrke, sejhed og hårdhed.

Holdbarheden øges yderligere, når de udsættes for termisk chok. Zirkoniumoxidpartikler spredt i en aluminiumoxidmatrix absorberer energi fra hurtige temperaturændringer og beskytter dem mod brud og revner på grund af stress forårsaget af pludselige temperaturskift. Derfor kan keramik anvendes sikkert i udstyr, der udsættes for pludselige og intense temperaturændringer, f.eks. ovnkomponenter eller turbinemotordele, uden at risikere at gå i stykker.

Hærdet zirkoniumoxid er kendt for sin modstandsdygtighed over for korrosion. Det kan derfor bruges i udstyr, der kommer i kontakt med ætsende væsker eller kemikalier som ætsende syrer og rengøringsmidler. Desuden gør dette materiales mekaniske slidstyrke det velegnet til medicinske implantater eller udstyr, der kommer i kontakt med kropsvæsker eller kemikalier som f.eks. rengøringsmidler.

På grund af sin holdbarhed og korrosionsbestandighed bruges zirkoniumdioxid-aluminiumoxid-kompositmaterialer (ZTA) på tværs af mange industrier. Producenter af skæreværktøjer vælger ofte ZTA's stærke, men hårde materialer, når de laver skæreværktøjer; desuden er det blevet meget brugt til produktion af medicinsk udstyr som ortopædisk implantatudstyr som lårbenshoveder og acetabulære liners.

ZTA-materialer, der bruges i medicinske applikationer, klarer sig godt på grund af deres højere brudstyrke - op til 20 gange større end for aluminiumoxid alene - hvilket hjælper med at mindske risikoen for skøre fejl, der kan forårsage negative helbredseffekter hos patienter.

Modstandsdygtighed over for korrosion

Hærdet zirkoniumoxid er et hårdt, skørt materiale, der er designet til at modstå høje temperaturer og barske miljøer. Det modstår korrosion og kemiske angreb og har mange anvendelsesmuligheder på tværs af industrier som rumfart, produktion og bilindustrien - samt overlegen mekanisk styrke, modstandsdygtighed over for termisk chok og lave slidhastigheder.

ZTA-keramik adskiller sig fra traditionel keramik ved at bestå af både aluminiumoxid- og zirkoniumoxidkompositter, der fremstilles ved at blande disse materialer i suspension før sintring ved høje temperaturer. Sintringen producerer fint spredte tetragonale zirkonpartikler i en aluminiumoxidmatrix; når revner bevæger sig hen over denne matrix, udløser deres energi fasetransformationer, der producerer volumenudvidelse, som effektivt modvirker eventuelle spændinger; dette får afbøjede brud til at dukke op flere steder i den, hvilket spreder brudenergien, mens den stadig spreder brudenergien helt ud.

Sammensætningen af dette materiale kan skræddersys til den påtænkte anvendelse, og forholdet mellem aluminiumoxid og zirconiumoxid kan justeres efter behov, så det passer til de unikke krav. For eksempel kan der tilsættes mere zirkoniumoxid i formuleringen for at øge trækstyrken, mens mere aluminiumoxid vil øge modstanden mod hydrotermisk ældning og korrosion.

ZTA-96-produktlinjen blev udviklet til at tilbyde omkostningseffektive løsninger til applikationer, der kræver slid, korrosion og stabilitet ved høje temperaturer. Denne keramik fås i et udvalg af former og størrelser med tilpassede tolerancer og finish, og den kan give pålidelig ydeevne i krævende anvendelser.

Hærdet zirkoniumoxid har længe været anerkendt for sin modstandsdygtighed over for slid og korrosion samt sin fremragende kemiske stabilitet - begge egenskaber gør det velegnet til medicinske anvendelser, hvor kropsvæsker eller kemikalier kommer i kontakt med det. Desuden anses zirconiumdioxid for at være en attraktiv kandidat til dentale og kirurgiske implantater på grund af dets overlegne biologiske kompatibilitetsegenskaber.

Biolox Delta fra CeramTec i Plochingen, Tyskland, blev lanceret til kommercielt salg som et af de første ZTA-materialer på markedet i 2000 som et implantaterstatningsmateriale til lårbenshoveder og acetabulære liners. Det består af en aluminiumoxidmatrix, der er forstærket med zirkoniumoxid og strontiumaluminat, som giver mekanismer til afstumpning af revnespidser og hærdning; sammen med kromoxid for at forhindre korrosion ved lave temperaturer; ifølge CeramTecs rapporter er der blevet implanteret over 320.000 lårbenshoveder og 160.000 indsatser med denne restaurerende keramik.

Modstandsdygtighed over for termisk stød

Zirkoniumdioxidkorn kombineret med en aluminiumoxidmatrix giver et materiale med enestående modstandsdygtighed over for termisk chok, hvilket gør det perfekt til anvendelser, der involverer ekstreme temperaturer. Desuden har aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositter en tendens til at overgå ren aluminiumoxid med hensyn til holdbarhed, selv under langvarig sandblæsningseksponering.

ZTA har en høj brudstyrke, hvilket gør det til et ideelt materialevalg i applikationer, hvor man ikke ønsker skøre materialer. For at opnå maksimal styrke og sejhed skal aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositter dog sintres og komprimeres korrekt; for lav temperatur kan resultere i punktdefekter og reduceret bøjningsstyrke - derfor bør der anvendes 1550 grader for at sikre optimal fusion og partikelstørrelsesfordeling.

Aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositter giver fremragende slidstyrke i skæreværktøjer og andre slibende komponenter og har lav friktion, hvilket giver ekstra kemisk inerti og lavere omkostninger sammenlignet med lignende materialer, der bruges til ortopædiske implantater. Kombinationen af egenskaber gør disse kompositter meget eftertragtede i medicinske anvendelser.

Ved at belaste aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositter undergår metastabil tetragonal zirkoniumoxid en transformation til monoklin zirkoniumoxid og forårsager volumenudvidelse af zirkoniumoxidkrystaller, hvilket skubber revnespidserne tilbage og forbedrer sejheden - denne effekt er kendt som spændingsinduceret transformationshårdhed.

Hærdet zirkoniumoxid er kendt for at være stærkt og holdbart, samtidig med at det er elektrisk isolerende - det gør det til et fantastisk materialevalg til komponenter, der kræver både mekanisk og elektrisk isolering, f.eks. muffer.

Aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositter fremstillet med Yttria-stabiliseret zirkoniumoxid (8YSZ) har vist sig at være bedre end dem, der er fremstillet med ustabiliseret aluminiumoxid, til en lige så konkurrencedygtig pris. Ideelle anvendelser omfatter applikationer, hvor både slidstyrke og gode elektriske isoleringsegenskaber er afgørende - temperaturer på op til 1500 grader er inden for dens kapacitet!