Alumine renforcée à la zircone (ZTA) – Une révolution en matière de résistance et de durabilité

La céramique composite à matrice d'alumine renforcée à la zircone offre des caractéristiques optimales en termes de dureté, de ténacité à la rupture et de résistance à la flexion. Ce type de céramique à base de zircone est généralement moins sensible à la dégradation à basse température et à la détérioration induite par les contraintes, et présente également d'excellentes propriétés mécaniques.

La force

L'alumine renforcée à la zircone se caractérise par une matrice d'alumine dopée avec de l'yttria et de l'oxyde de chrome, additifs qui protègent la zircone contre la dégradation hydrothermique en piégeant les molécules d'humidité à leur surface, empêchant ainsi leur diffusion dans la phase de zircone. De plus, ces additifs sont connus pour ralentir la cinétique de transformation de phase (Pezzotti et al., 2010a).

Les céramiques ZTA présentent une résistance mécanique élevée grâce au renforcement par transformation. Sous contrainte, les particules de zircone changent de structure cristalline, passant d'une structure tétragonale métastable à une structure monoclinique, ce qui entraîne une expansion volumique qui comprime la matrice d'alumine environnante, empêchant ainsi la propagation des fissures et augmentant la ténacité à la rupture.

L'ajout d'yttria et de chrome à une matrice d'alumine peut accroître sa résistance aux attaques chimiques de l'eau ou des fluides corporels, ce qui revêt une importance particulière dans les applications médicales où une corrosion sous contrainte de l'alumine peut se produire au contact de l'eau ou des fluides corporels. Cette caractéristique rend le matériau encore plus adapté à la protection contre la corrosion sous contrainte dans les environnements médicaux où le contact avec l'eau ou les fluides corporels pourrait entraîner une corrosion sous contrainte des substrats en alumine.

Le Biolox Delta de CeramTec est un exemple de matériau céramique ZTA ; il a été implanté dans plus de 320 000 têtes fémorales et 160 000 revêtements acétabulaires afin d’offrir une résistance, une ténacité, résistance à la rupture et une résistance à l’usure qui surpassent celles de l’alumine pure – ce qu’aucun autre biomatériau céramique actuellement utilisé en orthopédie ne peut égaler.

Solidité

Alliant ténacité et résistance, la zircone constitue un excellent matériau de coupe, en particulier pour l'usinage de matériaux haute performance tels que le nitrure de bore cubique (CBN). Sa résistance supérieure à l’usure lui permet de fonctionner à des vitesses élevées tout en générant moins de chaleur et de vibrations que les outils en carbure de tungstène, tout en étant chimiquement inerte, à faible coefficient de frottement et en présentant une bonne dureté à chaud ainsi qu’une résistance à la rupture supérieures à celles des métaux. De plus, le ZTA présente une dilatation thermique relativement faible, ce qui le rend adapté aux environnements d’usinage humides, tels que les surfaces en CBN ou les métaux usinables.

Garvie et al. (1975) ont découvert que des précipités métastables tétragonaux finement dispersés pouvaient être transformés en phase monoclinique par des traitements chimiques, ce qui permettait d'améliorer les propriétés mécaniques telles que la résistance à la flexion et la ténacité. Les applications commerciales utilisent des stabilisants pour contrôler ce processus de transformation et augmenter la ténacité ; par exemple, CeramTec a commercialisé le Biolox Delta ZTA, qui contient de l'yttria comme stabilisant ainsi que des additifs à base de chrome et de strontium afin de renforcer les mécanismes de ténacité au sein de sa matrice d'alumine.

La taille des particules de zircone joue un rôle essentiel dans le renforcement : plus les particules sont petites, meilleure est la dispersion et plus la formation de microfissures est favorisée. De plus, la modification du rapport entre la zircone et l'alumine permet aux concepteurs d'adapter les propriétés de la céramique spécifiquement à chaque application : les tiges et tubes destinés aux implants médicaux, les manchons isolants pour les composants d'aéronefs volant à haute altitude ou les composants automobiles peuvent tous bénéficier de pièces sur mesure fabriquées spécifiquement à partir de céramique à base de zircone.

Rigidité

Les céramiques à base de zircone sont des matériaux durs, résistants à l'usure et thermiquement stables qui offrent une résistance exceptionnelle au frottement, ce qui les rend adaptées aux outils de coupe. Leurs propriétés – associées à une élasticité et une ténacité à la rupture élevées – font également du ZTA un excellent matériau. Lorsqu’il est chauffé à des températures normales, le ZTA offre des performances supérieures à celles de l’alumine pure grâce à une résistance à la flexion et une ténacité à la rupture plus élevées ; ses propriétés mécaniques peuvent même être adaptées aux besoins spécifiques de chaque application en fonction de la proportion de zircone par rapport à l’alumine présente dans sa composition.

L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) se distingue comme une option intéressante par rapport à la zircone monolithique grâce à ses propriétés d'encapsulation. Alors que la zircone monolithique est sensible à la chimisorption des molécules d'eau et à la dégradation à basse température, la ZTA offre une matrice protectrice qui encapsule les transformations locales en son sein, limitant ainsi la propagation de ces transformations.

Le mécanisme d’encapsulation du ZTA empêche non seulement la dégradation à basse température, mais rend également le matériau moins vulnérable à la corrosion sous contrainte dans l’eau ou les fluides corporels, grâce à la transformation localisée des grains de zircone tétragonale en grains de zircone monoclinique qui se produit au sein de chaque grain de zircone plutôt que de se propager à l’ensemble du matériau. De plus, le ZTA est moins susceptible de voir les fissures se propager sous l’effet de charges de fatigue grâce à sa capacité à résister à la déformation à des températures élevées.

Durabilité

L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) résulte de l'association de la résistance mécanique et de la durabilité de la zircone à la résistance à l'abrasion de l'alumine, donnant ainsi naissance à un matériau technique de pointe qui surpasse chacune de ces deux matières prises isolément. Céramique composite à base de zircone, la ZTA est bien plus durable que chacun de ses composants pris séparément ; elle présente une meilleure résistance à la corrosion et supporte des températures plus élevées que les alumines standard.

Un facteur essentiel de la durabilité du ZTA réside dans sa capacité à conserver sa phase tétragonale métastable même à des températures élevées, grâce à l’incorporation d’alumine comme agent stabilisateur dans sa matrice. L'alumine présente également un module d'élasticité bien supérieur à celui de la zircone monolithique, ce qui contribue à absorber l'énergie chimique et mécanique qui, sans cela, provoquerait une transformation en phases monocliniques et une dégradation supplémentaire de l'alumine renforcée à la zircone. Des essais statiques et cycliques menés à la fois sur l’alumine et sur la zircone monolithique ont démontré que le ZTA offre une ténacité et un seuil de contrainte de propagation des fissures nettement supérieurs à ceux de la zircone monolithique. La combinaison de la résistance mécanique et de la ténacité élevées de la zircone et de l’alumine confère une résistance à l’usure supérieure pour les applications soumises à des charges, ce qui en fait un matériau idéal pour les composants orthopédiques tels que les prothèses de hanche, ainsi que pour les outils et fraises industriels, les joints résistants à l’abrasion ou les applications minières.