Σκληρυμένη αλουμίνα ζιρκονίας (ZTA)

Η σκληρυμένη αλουμίνα από ζιρκονία (ZTA) είναι ένα κατασκευασμένο κεραμικό που συνδυάζει τις ιδιότητες τόσο της αλουμίνας όσο και της ζιρκονίας για να παρέχει μηχανική αντοχή και αντίσταση σε θερμικά σοκ, καθιστώντας το κατάλληλο για ορθοπεδικές εφαρμογές, όπως μηριαίες κεφαλές και χιτώνια αγκίστρων, και βιομηχανικές εφαρμογές, όπως στεγανοποιήσεις βαλβίδων, δακτύλιοι, εξαρτήματα αντλιών, εργαλεία κοπής, εξαρτήματα κινητήρων και στεγανοποιήσεις βαλβίδων. Μπορεί να βρεθεί σε ορθοπεδικές εφαρμογές όπως μηριαίες κεφαλές και ακετυλοειδείς χιτώνες, ενώ οι βιομηχανικές εφαρμογές περιλαμβάνουν στεγανοποιήσεις βαλβίδων δακτυλίους στεγανοποιήσεις βαλβίδων δακτυλίους αντλιών εξαρτήματα κοπτικών εργαλείων κοπτικών εργαλείων ή εξαρτήματα κινητήρα.

Το ZTA παράγεται μέσω gelcasting με χρήση σκόνης αλουμίνας και σταθεροποιημένης με ύττρια σκόνη ζιρκονίας. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει την παρασκευή πολτού, τη μορφοποίηση, την ξήρανση με διαλύτη με διαδικασίες οσμωτικής ξήρανσης και ξήρανσης στον αέρα, την πυρόλυση και την πυροσυσσωμάτωση ως τελικά στάδια.

Σκληρότητα

Η σκληρυμένη αλουμίνα από ζιρκονία είναι ένα ιδανικό υλικό για εφαρμογές που απαιτούν τόσο υψηλή αντοχή όσο και ανθεκτικότητα, καθώς παράγεται μέσω μετασχηματισμού λεπτών τετραγωνικών σωματιδίων ζιρκονίας σε μια μήτρα αλουμίνας που προκαλείται από τάση. Αυτή η διαδικασία παράγει ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους σωματιδίων που παράγει ανώτερες μηχανικές ιδιότητες, όπως σκληρότητα, αντοχή σε θραύση και ανθεκτικότητα - εκτός από την αντοχή σε χημικές ουσίες και φθορά.

Τα σωματίδια ζιρκονίας που είναι διασκορπισμένα μέσα σε μια μήτρα αλουμίνας εμποδίζονται γενικά να μεταβληθούν λόγω των χημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους και των σωματιδίων αλουμίνας, αλλά μπορούν να ενεργοποιηθούν κατά την καταπόνηση για να υποστούν μετασχηματισμό. Τα μετασχηματισμένα σωματίδια ζιρκονίας δημιουργούν θλιπτικές τάσεις στα μέτωπα των ρωγμών που εμποδίζουν τη διάδοση- ο μετασχηματισμός τους έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη ανθεκτικότητα από την παραδοσιακή αλουμίνα.

Ο Claussen περιέγραψε για πρώτη φορά τη σκλήρυνση μετασχηματισμού το 1976 και χαρακτηρίζεται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν με τα μέτωπα των ρωγμών για να τα εκτρέψουν, ενώ ταυτόχρονα δημιουργούν θλιπτικές τάσεις πριν από τις κορυφές των ρωγμών, αυξάνοντας έτσι την ανθεκτικότητα των υλικών σε θραύση (Claussen 1976). Το φαινόμενο αυτό αυξάνει την ανθεκτικότητα θραύσης.

Το ZTA μπορεί να παραχθεί με τη χρήση θερμής ισοστατικής πρέσας και είναι κατάλληλο για υλικά ζεύγους εδράνων αντικατάστασης ισχίου, έχοντας επιδείξει ανώτερη επιβίωση σε σύγκριση με κεραμικές μηριαίες κεφαλές από σταθεροποιημένη με ύττρια ζιρκονία (Y-TZP) (Σχήμα 7.10). Επιπλέον, η μεγάλη περιεκτικότητά του σε αλουμίνα και η υψηλότερη πυκνότητά του συμβάλλουν στον μετριασμό των φαινομένων γήρανσης που παρατηρούνται στο Y-TZP και τα οποία προκαλούν υπερβολικό μετασχηματισμό t-m και μηχανική υποβάθμιση με την πάροδο του χρόνου (Σχήμα 7.11 και 7.12).

Το ZTA είναι μια εξαιρετική επιλογή υλικού για ιατρικά εμφυτεύματα που πρέπει να είναι ανθεκτικά στη διάβρωση και την έκθεση σε σωματικά υγρά, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε χειρουργικές αίθουσες και κινητήρες στροβίλων. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή αλουμίνα, το ZTA προσφέρει ανώτερη αντοχή στη χημική διάβρωση- μπορεί να αντέξει σε σκληρά περιβάλλοντα χωρίς να υποβαθμίζεται ή να αστοχεί. Επιπλέον, η ZTA διαθέτει εξαιρετική αντοχή σε θερμικό σοκ, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να αντέξει ταχείες αλλαγές στη θερμοκρασία, όπως εξαρτήματα φούρνων και εξαρτήματα στροβιλοκινητήρων, χωρίς να ραγίσει ή να σπάσει υπό πίεση.

Ανθεκτικότητα

Τα σύνθετα υλικά AZ είναι εξαιρετικά ανθεκτικά λόγω των σκληρυμένων σωματιδίων ζιρκονίας που είναι διασκορπισμένα σε μια μήτρα αλουμίνας. Όταν εκτίθενται σε τάση, τα σωματίδια μεταβάλλουν την κρυσταλλική τους δομή από τετραγωνική σε μονοκλινή μορφή προκαλώντας διαστολή όγκου και συμπίεση που βοηθά στην αναστολή της διάδοσης των ρωγμών - αυτή η ιδιότητα γνωστή ως σκλήρυνση μετασχηματισμού καθιστά το ZTA από την HMA Wear Solutions ιδανικό για εφαρμογές που απαιτούν υψηλά επίπεδα αντοχής, ανθεκτικότητας και σκληρότητας.

Η ανθεκτικότητα αυξάνεται περαιτέρω όταν υποβάλλεται σε θερμικό σοκ. Τα σωματίδια ζιρκονίας που είναι διασκορπισμένα σε μια μήτρα αλουμίνας απορροφούν ενέργεια από τις ταχείες μεταβολές της θερμοκρασίας, προστατεύοντάς τα από θραύση και ρωγμές που οφείλονται σε πιέσεις που προκαλούνται από απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας. Ως εκ τούτου, τα κεραμικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια σε εξοπλισμό που εκτίθεται σε απότομες και έντονες μεταβολές θερμοκρασίας, όπως εξαρτήματα φούρνων ή εξαρτήματα στροβιλοκινητήρων, χωρίς να κινδυνεύουν με αστοχία.

Η σκληρυμένη αλουμίνα ζιρκονίας είναι γνωστή για την αντοχή της στη διάβρωση. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κομμάτια εξοπλισμού που θα έρθουν σε επαφή με διαβρωτικά υγρά ή χημικές ουσίες, όπως οξέα χάραξης και καθαριστικά. Επιπλέον, η αντίσταση του υλικού αυτού στη μηχανική φθορά το καθιστά κατάλληλο για ιατρικά εμφυτεύματα ή συσκευές που έρχονται σε επαφή με σωματικά υγρά ή χημικά, όπως διαλύματα καθαρισμού.

Λόγω της ανθεκτικότητας και της αντοχής τους στη διάβρωση, τα σύνθετα υλικά ζιρκονίας-αλουμίνας (ZTA) χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανίες. Οι κατασκευαστές κοπτικών εργαλείων επιλέγουν συχνά τα ισχυρά αλλά και ανθεκτικά υλικά ZTA κατά τη δημιουργία κοπτικών εργαλείων- επιπλέον, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την παραγωγή ιατρικού εξοπλισμού, όπως συσκευές ορθοπεδικών εμφυτευμάτων, όπως μηριαίες κεφαλές και αγκυλοειδείς χιτώνες.

Τα υλικά ZTA που χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές αντέχουν καλά λόγω της υψηλότερης ανθεκτικότητάς τους σε θραύση - έως και 20 φορές μεγαλύτερη από εκείνη της αλουμίνας - η οποία συμβάλλει στη μείωση του κινδύνου εύθραυστης αστοχίας που θα μπορούσε να προκαλέσει δυσμενείς επιπτώσεις στην υγεία των ασθενών.

Αντοχή στη διάβρωση

Η σκληρυμένη αλουμίνα ζιρκονίας είναι ένα σκληρό, εύθραυστο υλικό σχεδιασμένο να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και σκληρά περιβάλλοντα. Αντέχει στη διάβρωση και τις χημικές επιθέσεις και έχει πολυάριθμες εφαρμογές σε βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική, η μεταποίηση και οι εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία - καθώς και ανώτερη μηχανική αντοχή, αντοχή σε θερμικά σοκ και χαμηλά ποσοστά φθοράς.

Τα κεραμικά ZTA διαφέρουν από τα παραδοσιακά κεραμικά στο ότι αποτελούνται από σύνθετα υλικά αλουμίνας και ζιρκονίας, τα οποία παράγονται με ανάμιξη αυτών των υλικών σε εναιώρημα πριν από την πυροσυσσωμάτωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Η πυροσυσσωμάτωση παράγει λεπτότατα διασκορπισμένα σωματίδια τετραγωνικής φάσης ζιρκονίας μέσα σε μια μήτρα αλουμίνας- όταν οι ρωγμές προχωρούν σε αυτή τη μήτρα, η ενέργειά τους προκαλεί μετασχηματισμούς φάσης που παράγουν διαστολή όγκου που εξουδετερώνει αποτελεσματικά τις τυχόν υπάρχουσες τάσεις- αυτό προκαλεί την εμφάνιση εκτρεπόμενων ρωγμών σε πολλαπλές θέσεις μέσα σε αυτήν, διασκορπίζοντας την ενέργεια της θραύσης, ενώ εξακολουθεί να διαχέεται συνολικά η ενέργεια της θραύσης.

Η σύνθεση αυτού του υλικού μπορεί να προσαρμοστεί ανάλογα με την προοριζόμενη εφαρμογή, με την αναλογία αλουμίνας και ζιρκονίας να προσαρμόζεται ανάλογα με τις ανάγκες για την ικανοποίηση των μοναδικών απαιτήσεων. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να προστεθεί περισσότερη ζιρκονία στη σύνθεσή του για να αυξηθεί η αντοχή σε εφελκυσμό, ενώ περισσότερη αλουμίνα θα αύξανε την αντοχή έναντι της υδροθερμικής γήρανσης και της διάβρωσης.

Η σειρά προϊόντων ZTA-96 αναπτύχθηκε για να προσφέρει οικονομικά αποδοτικές λύσεις για εφαρμογές που απαιτούν σταθερότητα στη φθορά, τη διάβρωση και τις υψηλές θερμοκρασίες. Διαθέσιμο σε ποικιλία σχημάτων και μεγεθών με προσαρμοσμένες ανοχές και διαθέσιμα φινιρίσματα, αυτό το κεραμικό μπορεί να παρέχει αξιόπιστη απόδοση σε δύσκολες εφαρμογές.

Η σκληρυμένη αλουμίνα ζιρκονίας έχει αναγνωριστεί εδώ και καιρό για την αντοχή της στη φθορά και τη διάβρωση, καθώς και για την εξαιρετική χημική της σταθερότητα - και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά την καθιστούν κατάλληλη για ιατρικές εφαρμογές όπου έρχονται σε επαφή με σωματικά υγρά ή χημικές ουσίες. Επιπλέον, η ζιρκονία θεωρείται ελκυστικός υποψήφιος για οδοντιατρικά και χειρουργικά εμφυτεύματα λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων βιολογικής συμβατότητάς της.

Το Biolox Delta της CeramTec από το Plochingen της Γερμανίας κυκλοφόρησε για εμπορική πώληση ως ένα από τα πρώτα υλικά ZTA που διατίθενται στο εμπόριο το 2000 ως υλικό αντικατάστασης εμφυτευμάτων για μηριαίες κεφαλές και αγκυλοειδείς χιτώνες. Αποτελούμενο από μια μήτρα αλουμίνας ενισχυμένη με ζιρκονία και αργιλικό στρόντιο που παρέχουν μηχανισμούς αμβλύνσεως της κορυφής της ρωγμής και μηχανισμούς σκληρύνσεως- μαζί με οξείδιο του χρωμίου για την πρόληψη της διάβρωσης σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας- πάνω από 320.000 μηριαίες κεφαλές και 160.000 ένθετα έχουν εμφυτευθεί χρησιμοποιώντας αυτό το κεραμικό αποκατάστασης σύμφωνα με τις εκθέσεις της CeramTec.

Αντοχή σε θερμικό σοκ

Οι κόκκοι ζιρκονίας σε συνδυασμό με μια μήτρα αλουμίνας παράγουν ένα υλικό με εξαιρετική αντοχή σε θερμικό σοκ, καθιστώντας το ιδανικό για εφαρμογές που περιλαμβάνουν ακραίες θερμοκρασίες. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά αλουμίνας-ζιρκονίας τείνουν να ξεπερνούν την καθαρή αλουμίνα από άποψη ανθεκτικότητας ακόμη και υπό παρατεταμένη έκθεση σε αμμοβολή.

Το ZTA προσφέρει υψηλή αντοχή σε θραύση, καθιστώντας το ιδανική επιλογή υλικού σε εφαρμογές όπου δεν είναι επιθυμητά τα εύθραυστα υλικά. Ωστόσο, για μέγιστη αντοχή και ανθεκτικότητα, τα σύνθετα υλικά αλουμίνας-ζιρκονίας πρέπει να πυροσυσσωματώνονται και να συμπυκνώνονται σωστά- πολύ χαμηλή θερμοκρασία μπορεί να οδηγήσει σε σημειακές ατέλειες και μειωμένη αντοχή σε κάμψη - γι' αυτό και πρέπει να χρησιμοποιούνται 1550 βαθμοί Κελσίου για να διασφαλίζεται η βέλτιστη σύντηξη και κατανομή μεγέθους σωματιδίων.

Τα σύνθετα υλικά αλουμίνας-ζιρκονίας παρέχουν εξαιρετική αντοχή στη φθορά σε κοπτικά εργαλεία και άλλα λειαντικά εξαρτήματα και έχουν χαμηλή τριβή, προσφέροντας επιπλέον χημική αδράνεια και χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με παρόμοια υλικά που χρησιμοποιούνται για ορθοπεδικά εμφυτεύματα. Ο συνδυασμός των ιδιοτήτων τους καθιστά αυτά τα σύνθετα υλικά ιδιαίτερα επιθυμητά σε ιατρικές εφαρμογές.

Η καταπόνηση των σύνθετων υλικών αλουμίνας-ζιρκονίας προκαλεί μετασταθερή τετραγωνική ζιρκονία που μετασχηματίζεται σε μονοκλινή ζιρκονία και προκαλεί διαστολή του όγκου των κρυστάλλων ζιρκονίας, απωθώντας τις κορυφές των ρωγμών και βελτιώνοντας παράλληλα την ανθεκτικότητα - το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως σκλήρυνση λόγω μετασχηματισμού που προκαλείται από την καταπόνηση.

Η σκληρυμένη αλουμίνα ζιρκονίας είναι γνωστή για την αντοχή και την ανθεκτικότητά της, ενώ παράλληλα είναι ηλεκτρικά μονωτική - αυτό την καθιστά μια φανταστική επιλογή υλικού για εξαρτήματα που απαιτούν τόσο μηχανική όσο και ηλεκτρική μόνωση, όπως τα μανίκια.

Τα σύνθετα υλικά αλουμίνας-ζιρκονίας που κατασκευάζονται με χρήση σταθεροποιημένης ζιρκονίας Yttria (8YSZ) έχουν αποδειχθεί ανώτερα από εκείνα που κατασκευάζονται με χρήση μη σταθεροποιημένης αλουμίνας, σε εξίσου ανταγωνιστικό κόστος. Οι ιδανικές εφαρμογές περιλαμβάνουν εφαρμογές όπου είναι απαραίτητες τόσο η αντοχή στην τριβή όσο και οι καλές ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης - οι θερμοκρασίες έως 1500 βαθμούς Κελσίου είναι εντός των δυνατοτήτων του!