Alumine durcie à la zircone (ZTA)

L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) est une céramique technique qui combine les propriétés de l'alumine et de la zircone pour offrir une résistance mécanique et une résistance aux chocs thermiques, ce qui la rend adaptée aux applications orthopédiques telles que les têtes fémorales et les chemises acétabulaires, et aux applications industrielles telles que les joints de valve, les bagues, les pièces de pompe, les outils de coupe, les composants de moteur et les joints de valve. On le trouve dans des applications orthopédiques telles que les têtes fémorales et les revêtements acétabulaires, tandis que les applications industrielles comprennent les joints de valve, les bagues, les pièces de pompe, les outils de coupe, les composants de moteur et les joints de valve.

Le ZTA est produit à partir de poudres d'alumine et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium. Ce processus comprend la préparation de la boue, le moulage, le séchage au solvant avec des processus de séchage osmotique et à l'air, la pyrolyse et le frittage en tant qu'étapes finales.

Solidité

L'alumine trempée à la zircone est un matériau idéal pour les applications nécessitant à la fois une résistance et une ténacité élevées. Elle est produite par la transformation induite par la contrainte de fines particules de zircone tétragonale dans une matrice d'alumine. Ce processus permet d'obtenir une distribution uniforme de la taille des particules, ce qui se traduit par des propriétés mécaniques supérieures telles que la dureté, la résistance à la rupture et la ténacité, tout en offrant une résistance chimique et une résistance à l'usure.

Les particules de zircone dispersées dans une matrice d'alumine ne peuvent généralement pas se transformer en raison des interactions chimiques entre elles et les particules d'alumine, mais elles peuvent être activées sous l'effet d'une contrainte pour subir une transformation. Les particules de zircone transformées créent des contraintes de compression au niveau des fronts de fissure qui empêchent la propagation ; leur transformation se traduit par une plus grande ténacité que l'alumine traditionnelle.

Claussen a décrit pour la première fois la trempe par transformation en 1976. Elle se caractérise par l'interaction de particules avec les fronts de fissure pour les dévier tout en créant simultanément des contraintes de compression à l'avant des pointes de fissure, augmentant ainsi la ténacité des matériaux à la rupture (Claussen 1976). Cet effet augmente la résistance à la rupture.

Le ZTA peut être produit par pressage isostatique à chaud et est bien adapté aux matériaux de couple de prothèses de hanche, ayant démontré une survie supérieure à celle des têtes fémorales en céramique faites de zircone stabilisée à l'yttrium (Y-TZP) (Figure 7.10). En outre, sa forte teneur en alumine et sa densité plus élevée contribuent à atténuer les phénomènes de vieillissement observés dans l'Y-TZP, qui provoquent une transformation t-m exagérée et une dégradation mécanique au fil du temps (figures 7.11 et 7.12).

Le ZTA est un excellent choix de matériau pour les implants médicaux qui doivent résister à la corrosion et à l'exposition aux fluides corporels, tels que ceux utilisés dans les salles d'opération et les moteurs à turbine. Par rapport à l'alumine traditionnelle, le ZTA offre une résistance supérieure à la corrosion chimique ; il peut résister à des environnements difficiles sans se dégrader ni se détériorer. En outre, le ZTA présente une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques, ce qui signifie qu'il peut tolérer des changements rapides de température, comme dans le cas des composants de fours et de moteurs à turbine, sans se fissurer ou se briser sous l'effet de la pression.

Durabilité

Les composites AZ sont extrêmement résistants en raison des particules de zircone durcies dispersées dans une matrice d'alumine. Lorsqu'elles sont exposées à une contrainte, les particules modifient leur structure cristalline, passant de la forme tétragonale à la forme monoclinique, ce qui entraîne une expansion et une compression du volume qui contribuent à freiner la propagation des fissures. Cette propriété, connue sous le nom de trempe par transformation, fait de l'AZT de HMA Wear Solutions un matériau idéal pour les applications nécessitant des niveaux élevés de résistance, de ténacité et de dureté.

La durabilité est encore accrue lorsqu'ils sont soumis à des chocs thermiques. Les particules de zircone dispersées dans une matrice d'alumine absorbent l'énergie des changements rapides de température, les protégeant ainsi des fractures et des fissures dues aux contraintes provoquées par les changements brusques de température. Ainsi, la céramique peut être utilisée en toute sécurité dans des équipements exposés à des changements de température soudains et intenses, tels que les composants de fours ou les pièces de moteurs à turbine, sans risquer de tomber en panne.

L'alumine renforcée à la zircone est connue pour sa résistance à la corrosion. Elle peut donc être utilisée dans des équipements qui entrent en contact avec des liquides corrosifs ou des produits chimiques tels que les acides de gravure et les agents de nettoyage. En outre, la résistance à l'usure mécanique de ce matériau le rend approprié pour les implants médicaux ou les dispositifs qui entrent en contact avec des fluides corporels ou des produits chimiques tels que les solutions de nettoyage.

En raison de leur durabilité et de leur résistance à la corrosion, les matériaux composites zircone-alumine (ZTA) sont utilisés dans de nombreuses industries. Les fabricants d'outils de coupe optent fréquemment pour les matériaux à la fois solides et résistants du ZTA lorsqu'ils créent des outils de coupe. En outre, le ZTA est largement utilisé pour la production d'équipements médicaux tels que les implants orthopédiques (têtes fémorales et revêtements acétabulaires, par exemple).

Les matériaux ZTA utilisés dans les applications médicales résistent bien grâce à leur plus grande résistance à la rupture - jusqu'à 20 fois supérieure à celle de l'alumine seule - ce qui permet de réduire le risque de rupture fragile qui pourrait avoir des effets néfastes sur la santé des patients.

Résistance à la corrosion

L'alumine trempée zircone est un matériau dur et cassant conçu pour résister aux températures élevées et aux environnements difficiles. Il résiste à la corrosion et aux attaques chimiques et trouve de nombreuses applications dans des secteurs tels que l'aérospatiale, la fabrication et l'automobile - ainsi qu'une résistance mécanique supérieure, une résistance aux chocs thermiques et de faibles taux d'usure.

Les céramiques ZTA diffèrent des céramiques traditionnelles en ce qu'elles sont constituées de composites d'alumine et de zircone, produits en mélangeant ces matériaux en suspension avant de les fritter à des températures élevées. Le frittage produit des particules de zircone en phase tétragonale finement dispersées dans une matrice d'alumine ; lorsque des fissures progressent dans cette matrice, leur énergie déclenche des transformations de phase qui produisent une expansion de volume qui contrecarre efficacement toutes les contraintes présentes ; cela provoque l'apparition de fractures déviées à plusieurs endroits dans la matrice, dispersant l'énergie de la fracture tout en la dissipant complètement.

La composition de ce matériau peut être adaptée en fonction de l'application envisagée, le rapport entre l'alumine et la zircone étant ajusté si nécessaire pour répondre à ses exigences particulières. Par exemple, une plus grande quantité de zircone peut être ajoutée à la formulation pour augmenter la résistance à la traction, tandis qu'une plus grande quantité d'alumine augmentera la résistance au vieillissement hydrothermique et à la corrosion.

La gamme de produits ZTA-96 a été développée pour offrir des solutions rentables aux applications nécessitant une stabilité à l'usure, à la corrosion et aux températures élevées. Disponible dans un assortiment de formes et de tailles, avec des tolérances et des finitions personnalisées, cette céramique peut fournir des performances fiables dans des applications difficiles.

L'alumine trempée zircone est reconnue depuis longtemps pour sa résistance à l'usure et à la corrosion, ainsi que pour son excellente stabilité chimique - deux caractéristiques qui la rendent bien adaptée aux applications médicales où des fluides corporels ou des produits chimiques entrent en contact avec elle. En outre, la zircone est considérée comme un candidat intéressant pour les implants dentaires et chirurgicaux en raison de ses propriétés supérieures de compatibilité biologique.

Biolox Delta de CeramTec (Plochingen, Allemagne) a été commercialisé en 2000 comme l'un des premiers matériaux ZTA disponibles sur le marché en tant que matériau de remplacement d'implant pour les têtes fémorales et les revêtements acétabulaires. Composé d'une matrice d'alumine renforcée par de la zircone et de l'aluminate de strontium qui fournissent des mécanismes d'émoussement de la pointe de la fissure et des mécanismes de durcissement, ainsi que de l'oxyde de chrome pour prévenir la corrosion à basse température, plus de 320 000 têtes fémorales et 160 000 inserts ont été implantés en utilisant cette céramique de restauration selon les rapports de CeramTec.

Résistance aux chocs thermiques

Les grains de zircone combinés à une matrice d'alumine produisent un matériau doté d'une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques, ce qui le rend parfait pour les applications impliquant des températures extrêmes. En outre, les composites alumine-zircone tendent à surpasser l'alumine pure en termes de durabilité, même en cas d'exposition prolongée au sablage.

Le ZTA offre une grande résistance à la rupture, ce qui en fait un choix idéal pour les applications où les matériaux fragiles ne sont pas souhaités. Toutefois, pour obtenir une résistance et une ténacité maximales, les composites alumine-zircone doivent être frittés et compactés correctement ; une température trop basse pourrait entraîner des défauts ponctuels et une réduction de la résistance à la flexion - c'est pourquoi il convient d'utiliser une température de 1550 degrés Celsius pour garantir une fusion et une distribution de la taille des particules optimales.

Les composites alumine-zircone offrent une excellente résistance à l'usure dans les outils de coupe et autres composants abrasifs, et ont un faible coefficient de frottement qui leur confère une inertie chimique supplémentaire et un coût inférieur à celui des matériaux similaires utilisés pour les implants orthopédiques. La combinaison de ces propriétés rend ces composites très intéressants pour les applications médicales.

La mise sous contrainte des composites alumine-zircone provoque la transformation de la zircone tétragonale métastable en zircone monoclinique et l'expansion du volume des cristaux de zircone, ce qui repousse les pointes des fissures tout en améliorant la ténacité - cet effet est connu sous le nom de ténacité par transformation induite par la contrainte.

L'alumine trempée zircone est connue pour être solide et durable tout en étant électriquement isolante - ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les composants qui nécessitent une isolation à la fois mécanique et électrique, tels que les manchons.

Les composites alumine-zircone fabriqués à partir de zircone stabilisée à l'yttrium (8YSZ) se sont révélés supérieurs à ceux fabriqués à partir d'alumine non stabilisée, à un coût tout aussi compétitif. Les applications idéales sont celles où la résistance à l'abrasion et de bonnes propriétés d'isolation électrique sont essentielles - des températures allant jusqu'à 1500 degrés Celsius sont à sa portée !