Zirkoniumoksidilla kovetettu alumiinioksidi (ZTA)

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA) on suunniteltu keramiikka, jossa yhdistyvät sekä alumiinioksidin että zirkoniumoksidikeramiikan ominaisuudet mekaanisen lujuuden ja lämpöshokkien kestävyyden takaamiseksi, minkä vuoksi se soveltuu ortopedisiin sovelluksiin, kuten reisiluun päihin ja asetabulaarisiin vuorauksiin, ja teollisiin sovelluksiin, kuten venttiilien tiivisteisiin, holkkeihin, pumppujen osiin, leikkuutyökaluihin, moottorin komponentteihin ja venttiilien tiivisteisiin. Sitä käytetään ortopedisissä sovelluksissa, kuten reisiluun päissä ja acetabulaarisissa vuorauksissa, kun taas teollisiin sovelluksiin kuuluvat venttiilien tiivisteet läpiviennit venttiilien tiivisteet läpiviennit pumppujen osat leikkaustyökalut leikkaustyökalut tai moottorin osat.

ZTA valmistetaan geelivalamalla käyttäen jauhemaista alumiinioksidia ja yttriumoksidistabiloitua zirkoniumoksidipulveria. Prosessi sisältää lietteen valmistuksen, valun, liuotinkuivauksen sekä osmoottisen että ilmakuivauksen, pyrolyysin ja sintrauksen loppuvaiheina.

Sitkeys

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi on ihanteellinen materiaali sovelluksiin, joissa tarvitaan sekä suurta lujuutta että sitkeyttä, sillä se valmistetaan hienojen tetragonaalisten zirkoniumoksidihiukkasten muuttuessa alumiinioksidimatriisiin jännityksen vaikutuksesta. Prosessi tuottaa tasaisen hiukkaskokojakauman, joka tuottaa erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, kuten kovuuden, murtumissitkeyden ja sitkeyden, sekä kemiallisen ja kulutuskestävyyden.

Alumiinimatriisiin dispergoidut zirkoniumoksidihiukkaset eivät yleensä pääse muuttumaan niiden ja alumiinioksidihiukkasten välisten kemiallisten vuorovaikutusten vuoksi, mutta ne voivat aktivoitua rasituksessa ja muuttua. Muuntuneet zirkoniumoksidihiukkaset luovat säröihin puristusjännityksiä, jotka estävät särön etenemisen; niiden muodonmuutos johtaa suurempaan sitkeyteen kuin perinteisen alumiinioksidin.

Claussen kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 1976 muutoskovettumisen, ja sille on ominaista, että hiukkaset vuorovaikutuksessa särörintamien kanssa poikkeuttavat niitä ja samalla luovat puristusjännityksiä särön kärkien eteen, mikä lisää materiaalien murtumissitkeyttä (Claussen 1976). Tämä vaikutus lisää murtumissitkeyttä.

ZTA voidaan valmistaa kuumalla isostaattisella puristuksella, ja se soveltuu hyvin lonkkaproteesin laakeriparin materiaaleiksi, sillä se on osoittanut paremman eloonjäämisajan kuin yttriumoksidistabiloidusta zirkoniumoksidista (Y-TZP) valmistetut keraamiset reisiluunpäät (kuva 7.10). Lisäksi sen suuri alumiinioksidipitoisuus ja suurempi tiheys auttavat lieventämään Y-TZP:ssä havaittavia vanhenemisilmiöitä, jotka aiheuttavat ajan myötä liioiteltua t-m-muutosta ja mekaanista hajoamista (kuvat 7.11 ja 7.12).

ZTA on erinomainen materiaalivalinta lääketieteellisiin implantteihin, joiden on kestettävä korroosiota ja kehon nesteille altistumista, kuten leikkaussaleissa ja turbiinimoottoreissa käytettävät implantit. Perinteiseen alumiinioksidiin verrattuna ZTA kestää paremmin kemiallista korroosiota; se kestää kovia ympäristöjä hajoamatta tai hajoamatta. Lisäksi ZTA:lla on poikkeuksellinen lämpöshokkikestävyys, mikä tarkoittaa, että se kestää nopeita lämpötilanvaihteluita, kuten uunien ja turbiinimoottoreiden komponentteja, murtumatta tai murtumatta paineen alla.

Kestävyys

AZ-komposiitit ovat erittäin sitkeitä, koska alumiinioksidimatriisiin on dispergoitu karkaistuja zirkoniumoksidihiukkasia. Kun hiukkaset altistuvat rasitukselle, ne muuttavat kiderakennettaan tetragonaalisesta monokliiniseen muotoon aiheuttaen tilavuuden laajenemista ja kokoonpuristumista, mikä auttaa pysäyttämään särön etenemisen - tämä ominaisuus, jota kutsutaan muuntokarkaisuksi, tekee HMA Wear Solutionsin ZTA:sta ihanteellisen sovelluksiin, joissa vaaditaan korkeaa lujuutta, sitkeyttä ja kovuutta.

Kestävyys paranee entisestään, kun se altistetaan lämpöshokille. Alumiinimatriisiin hajallaan olevat zirkoniumoksidihiukkaset imevät energiaa nopeista lämpötilanmuutoksista ja suojaavat niitä murtumiselta ja halkeilulta, joka johtuu äkillisten lämpötilanmuutosten aiheuttamasta rasituksesta. Näin ollen keraamisia voidaan käyttää turvallisesti laitteissa, jotka altistuvat äkillisille ja voimakkaille lämpötilanmuutoksille, kuten uunien osissa tai turbiinimoottoreiden osissa, ilman riskiä vikaantumisesta.

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi on tunnettu korroosionkestävyydestään. Näin ollen sitä voidaan käyttää laitteissa, jotka joutuvat kosketuksiin syövyttävien nesteiden tai kemikaalien, kuten syövytyshappojen ja puhdistusaineiden kanssa. Lisäksi tämän materiaalin mekaaninen kulutuskestävyys tekee siitä sopivan lääketieteellisiin implantteihin tai laitteisiin, jotka joutuvat kosketuksiin ruumiinnesteiden tai kemikaalien, kuten puhdistusliuosten, kanssa.

Kestävyytensä ja korroosionkestävyytensä ansiosta zirkonialumiinakomposiittimateriaaleja (ZTA) käytetään monilla teollisuudenaloilla. Leikkaustyökalujen valmistajat valitsevat usein ZTA:n vahvat mutta sitkeät materiaalit leikkuutyökaluja luodessaan; lisäksi sitä on alettu käyttää laajalti lääkinnällisten laitteiden tuotannossa, kuten ortopedisten implanttien, kuten reisiluun päiden ja acetabulaaristen vuorausten, valmistuksessa.

Lääketieteellisissä sovelluksissa käytettävät ZTA-materiaalit kestävät hyvin, koska niiden murtumissitkeys on suurempi - jopa 20 kertaa suurempi kuin pelkän alumiinioksidin - mikä auttaa vähentämään hauraan rikkoutumisen riskiä, joka voisi aiheuttaa potilaille terveyshaittoja.

Korroosionkestävyys

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi on kova ja hauras materiaali, joka on suunniteltu kestämään korkeita lämpötiloja ja vaativia ympäristöjä. Se kestää korroosiota ja kemiallisia hyökkäyksiä, ja sillä on lukuisia käyttökohteita eri teollisuudenaloilla, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, teollisuudessa ja autoteollisuudessa, sekä ylivoimainen mekaaninen lujuus, lämpöshokkien kestävyys ja alhainen kulumisaste.

ZTA-keramiikka eroaa perinteisestä keramiikasta siinä, että se koostuu sekä alumiinioksidin että zirkoniumoksidin komposiiteista, jotka valmistetaan sekoittamalla näitä materiaaleja suspensiossa ennen sintrausta korkeissa lämpötiloissa. Kun sintraus tuottaa hienojakoisia tetragonaalisen faasin zirkoniumoksidihiukkasia alumiinioksidimatriisiin; kun säröt etenevät tämän matriisin läpi, niiden energia käynnistää faasimuunnoksia, jotka saavat aikaan tilavuuden laajenemisen, joka tehokkaasti kumoaa kaikki läsnä olevat jännitykset; tämä saa aikaan sen, että murtumia syntyy useisiin eri kohtiin, jolloin murtumisenergia hajaantuu ja samalla murtumisenergiaa hajoaa kokonaan.

Materiaalin koostumus voidaan räätälöidä sen käyttötarkoituksen mukaan, ja alumiinioksidin ja zirkoniumoksidin suhdetta voidaan säätää tarpeen mukaan sen ainutlaatuisten vaatimusten mukaisesti. Sen koostumukseen voidaan esimerkiksi lisätä enemmän zirkoniaa vetolujuuden lisäämiseksi, kun taas enemmän alumiinioksidia lisää kestävyyttä hydrotermistä vanhenemista ja korroosiota vastaan.

ZTA-96-tuotesarja on kehitetty tarjoamaan kustannustehokkaita ratkaisuja sovelluksiin, joissa vaaditaan kulumisen, korroosion ja korkean lämpötilan kestävyyttä. Tämä keraaminen materiaali on saatavana useissa eri muodoissa ja koossa sekä räätälöidyillä toleransseilla ja viimeistelyillä, ja se tarjoaa luotettavan suorituskyvyn vaativissa sovelluksissa.

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi on jo pitkään ollut tunnettu kulutuksen- ja korroosionkestävyydestään sekä erinomaisesta kemiallisesta stabiilisuudestaan - molemmat ominaisuudet tekevät siitä hyvin soveltuvan lääketieteellisiin sovelluksiin, joissa se joutuu kosketuksiin ruumiinnesteiden tai kemikaalien kanssa. Lisäksi zirkoniaa pidetään houkuttelevana ehdokkaana hammaslääketieteellisiin ja kirurgisiin implantteihin sen erinomaisen biologisen yhteensopivuuden vuoksi.

CeramTecin (Plochingen, Saksa) Biolox Delta lanseerattiin kaupalliseen myyntiin yhtenä ensimmäisistä kaupallisesti saatavilla olevista ZTA-materiaaleista vuonna 2000 reisiluunpäiden ja acetabulaaristen vuorausten implanttikorvausmateriaalina. Materiaali koostuu alumiinioksidimatriisista, jota on vahvistettu zirkoniumoksidilla ja strontiumaluminaatilla, jotka tarjoavat halkeaman kärjen tylentämismekanismeja ja sitkeysmekanismeja, sekä kromioksidista, joka estää korroosiota matalissa lämpötiloissa. CeramTecin raporttien mukaan yli 320 000 reisiluunpäätä ja 160 000 inserttiä on istutettu käyttäen tätä korjaavaa keramiikkaa.

Lämpöshokin kestävyys

Zirkoniumoksidirakeet yhdistettynä alumiinioksidimatriisiin tuottavat materiaalin, jolla on poikkeuksellinen lämpöshokkien kestävyys, joten se soveltuu erinomaisesti sovelluksiin, joihin liittyy äärimmäisiä lämpötiloja. Lisäksi alumiinioksidi-zirkoniumoksidikomposiitit ovat yleensä kestävyydeltään parempia kuin puhdas alumiinioksidi jopa pitkäaikaisessa hiekkapuhallusaltistuksessa.

ZTA:n murtumissitkeys on korkea, joten se on ihanteellinen materiaalivalinta sovelluksissa, joissa hauraita materiaaleja ei haluta. Alumiini-zirkoniumoksidikomposiitit on kuitenkin sintrattava ja tiivistettävä asianmukaisesti, jotta ne olisivat mahdollisimman lujia ja sitkeitä. Liian alhainen lämpötila voi johtaa pistevikoihin ja heikentyneeseen taivutuslujuuteen, minkä vuoksi 1550 celsiusastetta olisi käytettävä optimaalisen sulamisen ja hiukkaskokojakauman varmistamiseksi.

Alumiini-zirkoniumoksidikomposiitit kestävät erinomaisesti kulutusta leikkaustyökaluissa ja muissa hiovissa komponenteissa, ja niillä on alhainen kitka, mikä lisää niiden kemiallista inerttiyttä ja alentaa kustannuksia ortopedisissä implantteissa käytettäviin vastaaviin materiaaleihin verrattuna. Näiden ominaisuuksien yhdistelmä tekee näistä komposiiteista erittäin haluttuja lääketieteellisissä sovelluksissa.

Alumiinioksidi-sirkoniumoksidikomposiittien jännittäminen aiheuttaa metastabiilin tetragonaalisen zirkoniumoksidin muuttumisen monokliiniseksi zirkoniumoksidiksi ja aiheuttaa zirkoniumoksidikiteiden tilavuuden laajenemisen, mikä työntää särön kärkiä taaksepäin ja parantaa samalla sitkeyttä - tätä vaikutusta kutsutaan jännityksen aiheuttamaksi muutoskarkaisuksi.

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi tunnetaan vahvana ja kestävänä, mutta samalla sähköisesti eristävänä - tämä tekee siitä loistavan materiaalivalinnan komponentteihin, jotka vaativat sekä mekaanista että sähköistä eristystä, kuten holkit.

Yttriumoksidistabiloitua zirkoniaa (8YSZ) käyttäen valmistetut alumiinioksidi-sirkoniakomposiitit ovat osoittautuneet paremmiksi kuin stabiloimattomalla alumiinioksidilla valmistetut komposiitit yhtä kilpailukykyisillä kustannuksilla. Ihanteellisia käyttökohteita ovat sovellukset, joissa sekä kulutuskestävyys että hyvät sähköeristysominaisuudet ovat välttämättömiä - jopa 1500 asteen lämpötilat ovat sen kapasiteetin sisällä!