Zirkoniumdioxid-gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA)

Zirkoniumdioxid (ZTA) ist eine technische Keramik, die die Eigenschaften von Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid kombiniert, um mechanische Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit zu gewährleisten. Sie eignet sich daher für orthopädische Anwendungen wie Hüftköpfe und Hüftgelenkspfannen und für industrielle Anwendungen wie Ventildichtungen, Buchsen, Pumpenteile, Schneidwerkzeuge, Motorenteile und Ventildichtungen. Es kommt in orthopädischen Anwendungen wie Hüftköpfen und Hüftgelenkpfannen zum Einsatz, während zu den industriellen Anwendungen Ventildichtungen, Buchsen, Ventildichtungen, Buchsen, Pumpenteile, Schneidewerkzeuge und Motorenteile gehören.

ZTA wird im Gelcasting-Verfahren unter Verwendung von pulverförmigem Aluminiumoxid und Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxidpulver hergestellt. Dieses Verfahren umfasst die Aufbereitung der Aufschlämmung, das Formen, die Trocknung in Lösungsmitteln mit osmotischen und Lufttrocknungsprozessen, die Pyrolyse und die Sinterung als letzte Schritte.

Zähigkeit

Zirkoniumdioxid ist ein ideales Material für Anwendungen, die sowohl hohe Festigkeit als auch Zähigkeit erfordern. Es wird durch spannungsinduzierte Umwandlung von feinen tetragonalen Zirkoniumdioxidpartikeln in eine Aluminiumoxidmatrix hergestellt. Dieses Verfahren führt zu einer gleichmäßigen Partikelgrößenverteilung, die überragende mechanische Eigenschaften wie Härte, Bruchzähigkeit und Zähigkeit sowie chemische Beständigkeit und Verschleißfestigkeit mit sich bringt.

In einer Aluminiumoxidmatrix dispergierte Zirkoniumdioxidteilchen werden im Allgemeinen aufgrund chemischer Wechselwirkungen zwischen ihnen und den Aluminiumoxidteilchen daran gehindert, sich zu verändern, können aber bei Beanspruchung aktiviert werden und sich umwandeln. Umgewandelte Zirkoniumdioxidteilchen erzeugen Druckspannungen an den Rissfronten, die eine Ausbreitung verhindern; ihre Umwandlung führt zu einer höheren Zähigkeit als bei herkömmlichem Aluminiumoxid.

Claussen beschrieb 1976 erstmals die Umwandlungszähigkeit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Partikel mit Rissfronten interagieren und diese ablenken, während sie gleichzeitig Druckspannungen vor den Rissspitzen erzeugen und so die Bruchzähigkeit von Materialien erhöhen (Claussen 1976). Dieser Effekt erhöht die Bruchzähigkeit.

ZTA kann durch isostatisches Heißpressen hergestellt werden und eignet sich gut als Material für Hüftgelenkköpfe, da es im Vergleich zu keramischen Hüftköpfen aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (Y-TZP) eine höhere Lebensdauer aufweist (Abbildung 7.10). Darüber hinaus tragen der hohe Aluminiumoxidgehalt und die höhere Dichte dazu bei, die bei Y-TZP auftretenden Alterungsphänomene, die im Laufe der Zeit zu einer übermäßigen t-m-Umwandlung und mechanischen Degradation führen, abzuschwächen (Abbildung 7.11 und 7.12).

ZTA ist ein ausgezeichnetes Material für medizinische Implantate, die korrosionsbeständig und resistent gegen Körperflüssigkeiten sein müssen, wie z. B. Implantate in Operationssälen und Turbinentriebwerken. Im Vergleich zu herkömmlichem Aluminiumoxid bietet ZTA eine überlegene Beständigkeit gegen chemische Korrosion; es kann rauen Umgebungen standhalten, ohne sich zu zersetzen oder auszufallen. Darüber hinaus zeichnet sich ZTA durch eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit aus, d. h. es verträgt schnelle Temperaturschwankungen, wie sie z. B. bei Ofen- und Turbinentriebwerkskomponenten auftreten, ohne unter Druck zu brechen oder zu reißen.

Dauerhaftigkeit

AZ-Verbundwerkstoffe sind aufgrund der in einer Aluminiumoxidmatrix dispergierten Zirkoniumdioxidpartikel extrem zäh. Bei Belastung verändern die Partikel ihre Kristallstruktur von tetragonaler zu monokliner Form, was zu einer Volumenausdehnung und Kompression führt, die die Rissausbreitung bremst - diese als Transformationszähigkeit bekannte Eigenschaft macht ZTA von HMA Wear Solutions ideal für Anwendungen, die hohe Festigkeit, Zähigkeit und Härte erfordern.

Die Haltbarkeit wird noch weiter erhöht, wenn sie einem Temperaturschock ausgesetzt werden. Zirkoniumdioxidpartikel, die in einer Aluminiumoxidmatrix verteilt sind, absorbieren die Energie von schnellen Temperaturwechseln und schützen sie so vor Brüchen und Rissen aufgrund von Spannungen, die durch abrupte Temperaturveränderungen entstehen. Daher kann Keramik sicher in Geräten verwendet werden, die plötzlichen und starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, wie z. B. Ofenkomponenten oder Teile von Turbinentriebwerken, ohne dass die Gefahr eines Ausfalls besteht.

Zirconiumdioxid ist für seine Korrosionsbeständigkeit bekannt. Daher kann es in Geräten verwendet werden, die mit ätzenden Flüssigkeiten oder Chemikalien wie Ätzsäuren und Reinigungsmitteln in Kontakt kommen. Außerdem eignet sich dieses Material aufgrund seiner mechanischen Verschleißfestigkeit für medizinische Implantate oder Geräte, die mit Körperflüssigkeiten oder Chemikalien wie Reinigungslösungen in Berührung kommen.

Aufgrund ihrer Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit werden Zirkoniumdioxid-Tonerde-Verbundwerkstoffe (ZTA) in zahlreichen Branchen eingesetzt. Hersteller von Zerspanungswerkzeugen entscheiden sich bei der Herstellung von Zerspanungswerkzeugen häufig für die starken und dennoch zähen Materialien von ZTA; darüber hinaus wird es in großem Umfang für die Herstellung medizinischer Geräte wie orthopädische Implantate wie Hüftköpfe und Hüftgelenkpfannen verwendet.

ZTA-Materialien, die in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, zeichnen sich durch eine höhere Bruchzähigkeit aus - bis zu 20-mal höher als die von reinem Aluminiumoxid -, was dazu beiträgt, das Risiko eines Sprödbruches zu verringern, der bei Patienten zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen könnte.

Korrosionsbeständigkeit

Zirkoniumdioxid ist ein hartes, sprödes Material, das hohen Temperaturen und rauen Umgebungen standhält. Es widersteht Korrosion und chemischen Angriffen und hat zahlreiche Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Fertigung und der Automobilindustrie - sowie eine überragende mechanische Festigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und geringe Verschleißraten.

ZTA-Keramik unterscheidet sich von herkömmlicher Keramik dadurch, dass sie sowohl aus Aluminiumoxid als auch aus Zirkoniumdioxid besteht und durch Mischen dieser Materialien in Suspension vor dem Sintern bei erhöhten Temperaturen hergestellt wird. Beim Sintern entstehen fein verteilte Zirkoniumdioxidpartikel mit tetragonaler Phase in einer Aluminiumoxidmatrix. Wenn sich Risse durch diese Matrix bewegen, löst ihre Energie Phasenumwandlungen aus, die zu einer Volumenausdehnung führen, die den vorhandenen Spannungen wirksam entgegenwirkt; dies führt dazu, dass abgelenkte Risse an mehreren Stellen in der Matrix auftreten und die Bruchenergie zerstreut wird, während gleichzeitig die Bruchenergie insgesamt abgeleitet wird.

Die Zusammensetzung dieses Materials kann je nach Verwendungszweck maßgeschneidert werden, wobei das Verhältnis von Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid je nach Bedarf angepasst werden kann, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden. So könnte beispielsweise mehr Zirkoniumdioxid in die Formulierung aufgenommen werden, um die Zugfestigkeit zu erhöhen, während mehr Aluminiumoxid die Beständigkeit gegen hydrothermale Alterung und Korrosion erhöhen würde.

Die Produktlinie ZTA-96 wurde entwickelt, um kosteneffiziente Lösungen für Anwendungen zu bieten, die Verschleiß, Korrosion und Stabilität bei hohen Temperaturen erfordern. Erhältlich in einer Reihe von Formen und Größen mit kundenspezifischen Toleranzen und Oberflächen, kann diese Keramik eine zuverlässige Leistung in schwierigen Anwendungen bieten.

Zirkoniumdioxid ist seit langem für seine Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie für seine hervorragende chemische Stabilität bekannt - beides Eigenschaften, die es für medizinische Anwendungen, bei denen es mit Körperflüssigkeiten oder Chemikalien in Berührung kommt, besonders geeignet machen. Außerdem gilt Zirkoniumdioxid aufgrund seiner hervorragenden biologischen Verträglichkeit als attraktiver Kandidat für zahnmedizinische und chirurgische Implantate.

Biolox Delta von CeramTec, Plochingen, Deutschland, wurde im Jahr 2000 als eines der ersten ZTA-Materialien als Implantat-Ersatzmaterial für Hüftköpfe und Hüftgelenkpfannen auf den Markt gebracht. Es besteht aus einer Aluminiumoxid-Matrix, die mit Zirkoniumdioxid und Strontiumaluminat verstärkt ist, welche die Rissspitzen abstumpfen und die Zähigkeit erhöhen, sowie aus Chromoxid, das die Korrosion bei niedrigen Temperaturen verhindert. Nach Angaben von CeramTec wurden bisher über 320.000 Hüftköpfe und 160.000 Einsätze mit dieser Keramik implantiert.

Widerstandsfähigkeit gegen thermische Schocks

Durch die Kombination von Zirkoniumdioxid-Körnern mit einer Aluminiumoxid-Matrix entsteht ein Material mit außergewöhnlicher Temperaturwechselbeständigkeit, das sich hervorragend für Anwendungen unter extremen Temperaturen eignet. Darüber hinaus übertreffen Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Verbundwerkstoffe in der Regel reines Aluminiumoxid in Bezug auf die Haltbarkeit, selbst bei längerer Sandstrahleinwirkung.

ZTA bietet eine hohe Bruchzähigkeit, was es zu einem idealen Werkstoff für Anwendungen macht, bei denen spröde Materialien nicht erwünscht sind. Um eine maximale Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen, müssen Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Verbundwerkstoffe jedoch ordnungsgemäß gesintert und verdichtet werden. Zu niedrige Temperaturen könnten zu Punktdefekten und einer geringeren Biegefestigkeit führen - daher sollten 1550 Grad Celsius verwendet werden, um eine optimale Verschmelzung und Partikelgrößenverteilung sicherzustellen.

Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Verbundwerkstoffe bieten eine hervorragende Verschleißfestigkeit in Schneidwerkzeugen und anderen abrasiven Bauteilen und weisen eine geringe Reibung auf, so dass sie im Vergleich zu ähnlichen Werkstoffen, die für orthopädische Implantate verwendet werden, chemisch inert sind und weniger kosten. Diese Kombination von Eigenschaften macht diese Verbundwerkstoffe für medizinische Anwendungen sehr begehrt.

Die Beanspruchung von Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Verbundwerkstoffen führt dazu, dass sich metastabiles tetragonales Zirkoniumdioxid in monoklines Zirkoniumdioxid umwandelt und das Volumen der Zirkoniumdioxidkristalle vergrößert, wodurch die Rissspitzen zurückgedrängt und die Zähigkeit verbessert wird.

Zirkoniumdioxid ist dafür bekannt, dass es stark und haltbar ist und gleichzeitig elektrisch isolierend wirkt. Das macht es zu einem fantastischen Material für Bauteile, die sowohl mechanisch als auch elektrisch isoliert werden müssen, wie z. B. Hülsen.

Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Verbundwerkstoffe, die mit Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (8YSZ) hergestellt werden, haben sich gegenüber jenen, die mit unstabilisiertem Aluminiumoxid hergestellt werden, als überlegen erwiesen, und das zu einem ebenso wettbewerbsfähigen Preispunkt. Zu den idealen Anwendungen gehören solche, bei denen sowohl Abriebfestigkeit als auch gute elektrische Isolationseigenschaften erforderlich sind - Temperaturen bis zu 1500 Grad Celsius sind kein Problem!