Tsirkooniumoksiidiga karastatud alumiiniumoksiid (ZTA)

Tsirkooniumdioksiidiga tugevdatud alumiiniumoksiid (ZTA) on tehniline keraamika, mis ühendab endas nii alumiiniumoksiidi kui ka tsirkooniumdioksiidi keraamika omadusi, pakkudes mehaanilist tugevust ja termilist šokikindlust, mistõttu sobib see ortopeedilisteks rakendusteks, nagu reieluupea ja puusaliigese vooderdised, ning tööstuslikeks rakendusteks, nagu klapitihendid, puksid, pumbaosad, lõikeriistad, mootorikomponendid ja klapitihendid. Seda kasutatakse ortopeedilistes rakendustes, nagu reieluupea ja puusaliigese vooderdised, samas kui tööstuslikud rakendused hõlmavad klapitihendeid, puksid, klapitihendeid, puksid, pumbaosad, lõikeriistad, lõikeriistad või mootorikomponendid.

ZTA toodetakse geelvalumeetodil, kasutades alumiiniumoksiidi pulbrit ja ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumdioksiidi pulbreid. See protsess hõlmab suspensiooni valmistamist, vormimist, lahustiga kuivatamist nii osmootilise kui ka õhukuivatamise teel, pürolüüsi ning lõppetappidena paagutamist.

Vastupidavus

Tsirkooniumdioksiidiga tugevdatud alumiiniumoksiid on ideaalne materjal rakendustele, mis nõuavad nii suurt tugevust kui ka sitkust; seda toodetakse peenete tetragonaalsete tsirkooniumdioksiidiosakeste pingest tingitud ümberkujundamise teel alumiiniumoksiidmaatriksiks. Selle protsessi tulemusena tekib ühtlane osakeste suurusjaotus, mis tagab suurepärased mehaanilised omadused, nagu kõvadus, murdumiskindlus ja sitkus, ning pakub lisaks ka keemilist vastupidavust ja kulumiskindlust.

Alumiiniumoksiidmatriisis hajutatud tsirkooniumdioksiidiosakeste muutumist takistavad üldjuhul nende omavahelised ning alumiiniumoksiidiosakestega toimuvad keemilised vastasmõjud, kuid need võivad pingestuse mõjul aktiveeruda ja läbida faasimuutuse. Faasimuutuse läbinud tsirkooniumdioksiidiosakesed tekitavad pragude eesotsas survet, mis takistab pragude levimist; nende faasimuutus tagab suurema sitkuse kui traditsioonilisel alumiiniumoksiidil.

Claussen kirjeldas transformatsioonilist tugevdamist esmakordselt 1976. aastal; selle puhul mõjutavad osakesed pragude eesotsi, suunates neid kõrvale, ning tekitavad samal ajal pragude otste ees survet, suurendades seeläbi materjalide murdumiskindlust (Claussen 1976). See efekt suurendab murdumiskindlust.

ZTA-d saab toota kuuma isostaatilise pressimise teel ning see sobib hästi puusaliigese proteesi kandepaaride materjalideks, kuna on näidanud paremat vastupidavust võrreldes ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumdioksiidist (Y-TZP) valmistatud keraamiliste reieluupäadega (joonis 7.10). Lisaks aitab selle suur alumiiniumoksiidi sisaldus ja suurem tihedus leevendada Y-TZP-s esinevaid vananemisnähtusi, mis põhjustavad aja jooksul ülemäärast t-m-faasi üleminekut ja mehaanilist lagunemist (joonised 7.11 ja 7.12).

ZTA on suurepärane materjalivalik meditsiiniliste implantaatide jaoks, mis peavad olema korrosioonikindlad ja vastupidavad kehavedelike mõjule, näiteks operatsioonisaalides ja töötavates turbiinmootorites kasutatavad implantaadid. Võrreldes traditsioonilise alumiiniumoksiidiga pakub ZTA paremat vastupidavust keemilisele korrosioonile; see talub karmi keskkonda ilma, et selle omadused halveneksid või see rikki läheks. Lisaks sellele on ZTA-l erakordne termilise šoki vastupidavus, mis tähendab, et see talub kiireid temperatuurimuutusi, nagu näiteks ahjukomponentides ja turbiinmootorite komponentides, ilma et see surve all praguneks või puruneks.

Vastupidavus

AZ-komposiidid on äärmiselt vastupidavad tänu alumiiniumoksiidmatriisis hajutatud tugevdatud tsirkooniumdioksiidiosakestele. Pingele all muutuvad osakeste kristallstruktuurid tetragonaalsest monokliiniliseks, põhjustades mahu laienemist ja kokkusurumist, mis aitab pidurdada pragude levikut – see omadus, mida nimetatakse transformatsioonitugevdamiseks, teeb HMA Wear Solutionsi ZTA-materjalid ideaalseks rakendustele, mis nõuavad suurt tugevust, sitkust ja kõvadust.

Termilise šoki mõjul suureneb vastupidavus veelgi. Alumiiniumoksiidmatriisis hajutatud tsirkooniumdioksiidiosakesed neelavad kiirete temperatuurimuutuste energiat, kaitstes neid järskudest temperatuurikõikumistest tingitud pingest põhjustatud murdumise ja pragunemise eest. Seetõttu saab keraamikat ohutult kasutada seadmetes, mis on avatud järskudele ja intensiivsetele temperatuurimuutustele, nagu ahjukomponendid või turbiinmootori osad, ilma rikkeohu riskita.

Tsirkooniumdioksiidiga tugevdatud alumiiniumoksiid on tuntud oma korrosioonikindluse poolest. Seetõttu saab seda kasutada seadmetes, mis puutuvad kokku korrosiivsete vedelike või kemikaalidega, nagu söövitushapped ja puhastusvahendid. Lisaks muudab selle materjali mehaaniline kulumiskindlus selle sobivaks meditsiiniliste implantaatide või seadmete valmistamiseks, mis puutuvad kokku kehavedelikega või kemikaalidega, nagu näiteks puhastuslahused.

Tänu oma vastupidavusele ja korrosioonikindlusele kasutatakse tsirkooniumoksiidi-alumiiniumoksiidi komposiitmaterjale (ZTA) paljudes tööstusharudes. Lõikeriistade tootjad valivad lõikeriistade valmistamisel sageli just ZTA tugevaid ja samas sitkeid materjale; lisaks on seda hakatud laialdaselt kasutama meditsiiniseadmete tootmisel, näiteks ortopeediliste implantaatide, nagu reieluupea ja puusaliigese vooderdiste valmistamisel.

Meditsiinilistes rakendustes kasutatavad ZTA-materjalid on tänu oma suuremale murdumiskindlusele – mis on kuni 20 korda suurem kui pelgalt alumiiniumoksiidil – väga vastupidavad, mis aitab vähendada rabedat purunemist, mis võiks põhjustada patsientidele tervisekahjustusi.

Korrosioonikindlus

Tsirkooniumdioksiidiga tugevdatud alumiiniumoksiid on kõva ja rabe materjal, mis on loodud taluma kõrgeid temperatuure ja raskeid kasutustingimusi. See on korrosiooni- ja kemikaalide suhtes vastupidav ning leiab laialdast rakendust sellistes tööstusharudes nagu lennundus, tootmine ja autotööstus – lisaks sellele iseloomustab seda suurepärane mehaaniline tugevus, termilise šoki vastupidavus ja madal kulumismäär.

ZTA-keraamika erineb traditsioonilisest keraamikast selle poolest, et see koosneb nii alumiiniumoksiidi kui ka tsirkooniumoksiidi komposiitidest, mis saadakse nende materjalide segamisel suspensioonis enne paagutamist kõrgel temperatuuril. Paagutamise tulemusena tekivad alumiiniumoksiidi maatriksis peenelt hajutatud tetragonaalfaasi tsirkooniumdioksiidi osakesed; kui praod levivad üle selle maatriksi, põhjustab nende energia faasimuutusi, mis tekitavad mahu laienemist, mis neutraliseerib tõhusalt kõik olemasolevad pinged; see põhjustab maatriksi mitmes kohas kõrvale kalduvaid murdeid, hajutades murdeenergiat ja samal ajal kaotades murdeenergia täielikult.

Selle materjali koostist saab kohandada vastavalt kasutusotstarbele, reguleerides vajaduse korral alumiiniumoksiidi ja tsirkooniumdioksiidi suhet, et see vastaks konkreetse rakenduse nõuetele. Näiteks võiks koostisesse lisada rohkem tsirkooniumdioksiidi, et suurendada tõmbetugevust, samas kui alumiiniumoksiidi suurem sisaldus suurendaks vastupidavust hüdrotermilisele vananemisele ja korrosioonile.

Tootesari ZTA-96 on välja töötatud selleks, et pakkuda kulutõhusaid lahendusi rakendustele, mis nõuavad kulumiskindlust, korrosioonikindlust ja stabiilsust kõrgetel temperatuuridel. See keraamika on saadaval mitmesugustes kujudes ja suurustes, millele on võimalik valida kliendi soovile vastavad tolerantsid ja pinnaviimistlused, ning tagab usaldusväärse toimimise rasketes kasutustingimustes.

Tsirkooniumdioksiidiga tugevdatud alumiiniumoksiid on juba ammu tuntud oma kulumis- ja korrosioonikindluse ning suurepärase keemilise stabiilsuse poolest – need omadused muudavad selle materjali sobivaks meditsiinilistes rakendustes, kus see puutub kokku kehavedelike või kemikaalidega. Lisaks peetakse tsirkooniumdioksiidi selle suurepäraste bioloogilise ühilduvuse omaduste tõttu atraktiivseks valikuks hambaravi- ja kirurgiliste implantaatide valmistamiseks.

Saksamaal Plochingenis asuva ettevõtte CeramTec toode Biolox Delta toodi 2000. aastal turule ühe esimese kaubanduslikult kättesaadava ZTA-materjalina, mida kasutatakse reieluupea ja puusaliigese vooderdise implantaadi asendusmaterjalina. See koosneb alumiiniumoksiidmatriitsist, mida on tugevdatud tsirkooniumoksiidi ja strontiumaluminaadiga, mis tagavad pragude otsade nüristamise ja tugevdamise mehhanismid; lisaks sisaldab see kroomoksiidi, mis takistab korrosiooni madalatel temperatuuridel; CeramTec’i andmetel on seda taastavat keraamikat kasutatud üle 320 000 reieluupea ja 160 000 sisestuse implanteerimisel.

Termilise šoki vastupidavus

Tsirkooniumdioksiidi terad koos alumiiniumoksiidist maatriksiga moodustavad materjali, millel on erakordne termilise šoki vastupidavus, mistõttu sobib see ideaalselt kasutamiseks äärmuslike temperatuuridega seotud rakendustes. Lisaks ületavad alumiiniumoksiidi-tsirkooniumdioksiidi komposiidid puhtast alumiiniumoksiidist tavaliselt vastupidavuse poolest isegi pikaajalise liivapuhastuse korral.

ZTA pakub suurt murdumiskindlust, mistõttu on see ideaalne materjalivalik rakendustes, kus rabedat materjali ei soovitata kasutada. Kuid maksimaalse tugevuse ja sitkuse saavutamiseks tuleb alumiiniumoksiidi-tsirkooniumoksiidi komposiite nõuetekohaselt paagutada ja tihendada; liiga madal temperatuur võib põhjustada punktdefekte ja vähendada paindetugevust – seetõttu tuleks optimaalse sulamise ja osakeste suurusjaotuse tagamiseks kasutada temperatuuri 1550 °C.

Alumiiniumoksiidi-tsirkooniumoksiidi komposiidid tagavad lõikeriistades ja muudes abrasiivsetes komponentides suurepärase kulumiskindluse ning nende madal hõõrdetegur tagab suurema keemilise inertsuse ja madalamad kulud võrreldes ortopeedilistes implantaatides kasutatavate sarnaste materjalidega. Nende omaduste kombinatsioon muudab need komposiidid meditsiinilistes rakendustes väga ihaldusväärseks.

Alumiiniumoksiidi-tsirkooniumoksiidi komposiitide pingestamine põhjustab metastabiilse tetragonaalse tsirkooniumoksiidi ümberkujunemise monokliinseks tsirkooniumoksiidiks ning tsirkooniumoksiidi kristallide mahu suurenemise, mis lükkab pragude tippe tagasi ja parandab samal ajal materjali sitkust – seda efekti nimetatakse pingest tingitud ümberkujunemisest tulenevaks sitkuse suurenemiseks.

Tsirkooniumdioksiidiga tugevdatud alumiiniumoksiid on tuntud oma tugevuse ja vastupidavuse poolest, olles samal ajal elektriliselt isoleeriv – see teeb sellest suurepärase materjalivaliku komponentidele, mis nõuavad nii mehaanilist kui ka elektrilist isolatsiooni, näiteks hülsid.

Yttria-stabiliseeritud tsirkooniumdioksiidi (8YSZ) abil valmistatud alumiiniumoksiidi-tsirkooniumdioksiidi komposiidid on osutunud paremaks kui stabiliseerimata alumiiniumoksiidist valmistatud komposiidid, seda samas konkurentsivõimelise hinnaga. Ideaalseks kasutusvaldkonnaks on rakendused, kus on olulised nii kulumiskindlus kui ka head elektrilised isolatsioonivõimed – materjal talub temperatuure kuni 1500 °C!