Cirkónium-dioxid keményített alumínium-oxid (ZTA)

A cirkónium-dioxiddal edzett alumínium-dioxid (ZTA) egy olyan kerámia, amely egyesíti az alumínium-dioxid és a cirkónium-dioxid kerámiák tulajdonságait, hogy mechanikai szilárdságot és termikus sokkállóságot biztosítson, így alkalmas ortopédiai alkalmazásokhoz, például combfejhez és acetabularis bélésekhez, valamint ipari alkalmazásokhoz, például szeleptömítésekhez, perselyekhez, szivattyúalkatrészekhez, vágószerszámokhoz, motoralkatrészekhez és szeleptömítésekhez. Ortopédiai alkalmazásokban, például combfejekben és acetabularis bélésekben, míg ipari alkalmazásokban szeleptömítések, perselyek, szeleptömítések, perselyek, szivattyúalkatrészek, vágószerszámok, vágószerszámok vagy motoralkatrészek találhatók.

A ZTA-t gélöntéssel állítják elő porított alumínium-oxid és ittrium-dioxiddal stabilizált cirkónium-dioxid porok felhasználásával. Ez az eljárás magában foglalja az iszapkészítést, a formázást, az oldószeres szárítást ozmotikus és légszárítási eljárásokkal, a pirolízist és a szinterezést mint végső lépéseket.

Szívósság

A cirkónium-dioxiddal edzett alumínium-oxid ideális anyag a nagy szilárdságot és szívósságot egyaránt igénylő alkalmazásokhoz, mivel finom tetragonális cirkónium-dioxid részecskék alumínium-oxid mátrixba történő, feszültség által kiváltott átalakulásával állítják elő. Ez az eljárás egyenletes szemcseméret-eloszlást eredményez, amely kiváló mechanikai tulajdonságokat, például keménységet, törési szívósságot és szívósságot eredményez - amellett, hogy kémiai és kopásállóságot biztosít.

Az alumínium-oxid mátrixban diszpergált cirkónium-dioxid-részecskék általában nem tudnak megváltozni a közöttük és az alumínium-oxid-részecskék közötti kémiai kölcsönhatások miatt, de feszültség hatására aktiválódhatnak, és átalakulhatnak. Az átalakult cirkónium-dioxid részecskék nyomófeszültségeket hoznak létre a repedésfrontokon, amelyek megakadályozzák a terjedést; átalakulásuk nagyobb szívósságot eredményez, mint a hagyományos timföld.

Claussen 1976-ban írta le először az átalakulásos szívósságot, amelyet az jellemez, hogy a részecskék a repedésfrontokkal kölcsönhatásba lépve eltérítik azokat, miközben egyidejűleg nyomófeszültségeket hoznak létre a repedéscsúcsok előtt, ezáltal növelve az anyagok törési szívósságát (Claussen 1976). Ez a hatás növeli a törési szívósságot.

A ZTA forró izosztatikus préseléssel állítható elő, és jól alkalmazható csípőprotézis csapágypár anyagaként, mivel jobb túlélőképességet mutatott az ittrium-stabilizált cirkónium-dioxidból (Y-TZP) készült kerámia femurfejekhez képest (7.10. ábra). Ezen túlmenően nagy alumínium-dioxid-tartalma és nagyobb sűrűsége segít enyhíteni az Y-TZP-nél megfigyelhető öregedési jelenségeket, amelyek idővel túlzott t-m átalakulást és mechanikai degradációt okoznak (7.11. és 7.12. ábra).

A ZTA kiváló anyagválasztás olyan orvosi implantátumokhoz, amelyeknek ellen kell állniuk a korróziónak és a testnedveknek való kitettségnek, mint például a műtőkben és a működő turbinamotorokban használtak. A hagyományos alumínium-oxiddal összehasonlítva a ZTA kiváló ellenállást nyújt a kémiai korrózióval szemben; romlás vagy meghibásodás nélkül képes ellenállni a zord környezetnek. A ZTA emellett kivételes termikus sokkállósággal is büszkélkedhet, ami azt jelenti, hogy a gyors hőmérsékletváltozásokat, mint például a kemencealkatrészek és a turbinamotorok alkatrészei, nyomás alatti repedés vagy törés nélkül elviseli.

Tartósság

Az AZ kompozitok rendkívül szívósak az alumínium-oxid mátrixban diszpergált, edzett cirkónium-dioxid részecskéknek köszönhetően. Amikor a részecskék feszültségnek vannak kitéve, a kristályszerkezetük tetragonálisról monoklin formára változik, ami térfogattágulást és összenyomódást okoz, ami segít megállítani a repedések terjedését - ez az átalakulási szívósságként ismert tulajdonság teszi a HMA Wear Solutions ZTA-t ideálisvá a nagy szilárdságot, szívósságot és keménységet igénylő alkalmazásokhoz.

A tartósság tovább növekszik, ha hőhatásnak van kitéve. Az alumínium-oxid mátrixban eloszlatott cirkónium-dioxid részecskék elnyelik a gyors hőmérséklet-változásokból származó energiát, megvédve őket a hirtelen hőmérsékletváltozások okozta feszültségek okozta töréstől és repedéstől. Így a kerámia biztonságosan használható olyan berendezésekben, amelyek hirtelen és intenzív hőmérséklet-változásoknak vannak kitéve, mint például kemencealkatrészek vagy turbinamotorok alkatrészei, a meghibásodás veszélye nélkül.

A cirkónium-dioxiddal edzett alumínium-oxid a korrózióval szembeni ellenállásáról ismert. Ezért olyan berendezésekben használható, amelyek korrozív folyadékokkal vagy vegyi anyagokkal, például maró savakkal és tisztítószerekkel kerülnek kapcsolatba. Ezen túlmenően ez az anyag mechanikai kopásállósága alkalmassá teszi orvosi implantátumokhoz vagy olyan eszközökhöz, amelyek testnedvekkel vagy vegyi anyagokkal, például tisztítóoldatokkal kerülnek érintkezésbe.

Tartósságának és korrózióállóságának köszönhetően a cirkónium-dioxid-alumínium-oxid kompozit (ZTA) anyagokat számos iparágban használják. A vágószerszámgyártók gyakran választják a ZTA erős, mégis szívós anyagát a vágószerszámok gyártásakor; emellett széles körben használják az orvosi berendezések gyártásában, például ortopédiai implantátumeszközök, például combfej és csontvázbélés gyártásakor.

Az orvosi alkalmazásokban használt ZTA anyagok jól megállják a helyüket, mivel nagyobb törési szívósságuk - akár 20-szor nagyobb, mint a timföldé - segít csökkenteni a törékeny meghibásodás kockázatát, ami káros egészségügyi hatásokat okozhat a betegeknél.

Korrózióállóság

A cirkónium-dioxiddal edzett alumínium-oxid egy kemény, rideg anyag, amelyet úgy terveztek, hogy ellenálljon a magas hőmérsékletnek és a zord környezetnek. Ellenáll a korróziónak és a kémiai támadásoknak, és számos iparágban, például a repülőgépiparban, a gyártásban és az autóiparban is számos alkalmazása van - valamint kiváló mechanikai szilárdsággal, termikus sokkállósággal és alacsony kopási aránnyal rendelkezik.

A ZTA-kerámia abban különbözik a hagyományos kerámiáktól, hogy alumínium- és cirkónium-dioxid-kompozitokból áll, amelyeket ezen anyagok szuszpenzióban történő keverésével állítanak elő, mielőtt magas hőmérsékleten szinterezik őket. A szinterezés során finoman eloszló tetragonális fázisú cirkónium-dioxid részecskék keletkeznek egy alumínium-oxid mátrixban; amikor a repedések ezen a mátrixon keresztül haladnak előre, energiájuk fázisátalakulásokat indít el, amelyek olyan térfogattágulást eredményeznek, amely hatékonyan ellensúlyozza a jelen lévő feszültségeket; ez azt eredményezi, hogy a törésen belül több helyen eltérített törések jelennek meg, amelyek szétszórják a törési energiát, miközben a törési energiát összességében mégis eloszlatják.

Ennek az anyagnak az összetétele a tervezett alkalmazásnak megfelelően alakítható, az alumínium-oxid és a cirkónium-dioxid arányát szükség szerint az egyedi követelményekhez igazítva. Például több cirkónium-dioxidot lehet hozzáadni a készítményhez a szakítószilárdság növelése érdekében, míg a több alumínium-dioxid növelné a hidrotermikus öregedéssel és a korrózióval szembeni ellenállást.

A ZTA-96 termékcsaládot úgy fejlesztették ki, hogy költséghatékony megoldásokat kínáljon a kopást, korróziót és magas hőmérsékleti stabilitást igénylő alkalmazásokhoz. Ez a kerámia különféle formák és méretek választékában, egyedi tűrésekkel és felületkezeléssel kapható, és megbízható teljesítményt nyújt kemény alkalmazásokban.

A cirkónium-dioxiddal edzett alumínium-oxid régóta elismert kopás- és korrózióállósága, valamint kiváló kémiai stabilitása miatt - mindkét tulajdonsága miatt kiválóan alkalmas olyan orvosi alkalmazásokhoz, ahol testnedvek vagy vegyi anyagok érintkeznek vele. Továbbá a cirkónium-dioxidot kiváló biológiai kompatibilitási tulajdonságai miatt vonzó jelöltnek tartják fogászati és sebészeti implantátumokhoz.

A németországi Plochingenben működő CeramTec által gyártott Biolox Delta az egyik első kereskedelmi forgalomban kapható ZTA-anyagként 2000-ben került kereskedelmi forgalomba, mint femurfej és acetabularis bélés implantátum-helyettesítő anyag. A CeramTec jelentése szerint több mint 320 000 combcsontfejet és 160 000 betétet ültettek be ezzel a helyreállító kerámiával, amely cirkónium-dioxiddal és stroncium-alumináttal erősített alumínium-oxid mátrixból áll, amely a repedéscsúcsok tompítási és szívóssági mechanizmusát biztosítja; valamint króm-oxidot tartalmaz az alacsony hőmérsékleten történő korrózió megelőzésére; a CeramTec jelentése szerint több mint 320 000 combcsontfejet és 160 000 betétet ültettek be ezzel a helyreállító kerámiával.

Hősokk-ellenállás

A cirkónium-dioxid szemcsék alumínium-oxid mátrixszal kombinálva kivételes hősokkállóságú anyagot eredményeznek, így tökéletesen alkalmas extrém hőmérsékletekkel járó alkalmazásokhoz. Továbbá, az alumínium-oxid-cirkónium-dioxid kompozitok a tartósság tekintetében még hosszan tartó homokfúvási expozíció esetén is általában felülmúlják a tiszta alumínium-oxidot.

A ZTA nagy törési szívósságot kínál, így ideális anyagválasztás olyan alkalmazásokban, ahol a rideg anyagok nem kívánatosak. A maximális szilárdság és szívósság érdekében azonban az alumínium-zirkónium-dioxid kompozitokat megfelelően kell szinterezni és tömöríteni; a túl alacsony hőmérséklet ponthibákat és csökkent hajlítószilárdságot eredményezhet - ezért kell 1550 °C-ot használni az optimális olvadás és szemcseméret-eloszlás biztosítása érdekében.

Az alumínium-zirkónium-dioxid kompozitok kiváló kopásállóságot biztosítanak a vágószerszámokban és más koptató alkatrészekben, és alacsony súrlódással rendelkeznek, ami az ortopédiai implantátumokhoz használt hasonló anyagokhoz képest további kémiai inertitást és alacsonyabb költségeket kínál. A tulajdonságok kombinációja teszi ezeket a kompozitokat rendkívül kívánatossá az orvosi alkalmazásokban.

Az alumínium-zirkónium-dioxid kompozitok feszítés hatására a metastabil tetragonális cirkónium-dioxid átalakul monoklin cirkónium-dioxiddá, és a cirkónium-dioxid-kristályok térfogattágulását okozza, visszaszorítva a repedéscsúcsokat, miközben javul a szívósság - ezt a hatást nevezik feszültség által kiváltott átalakulásos szívósságnak.

A cirkónium-dioxiddal edzett alumínium-oxid arról ismert, hogy erős és tartós, ugyanakkor elektromosan szigetelő - ez teszi fantasztikus anyagválasztássá olyan alkatrészekhez, amelyek mechanikai és elektromos szigetelést egyaránt igényelnek, mint például a hüvelyek.

Az Yttria stabilizált cirkónium-dioxiddal (8YSZ) készített alumínium-zirkónium-dioxid kompozitok jobbnak bizonyultak a stabilizálatlan alumínium-dioxiddal készülteknél, hasonlóan versenyképes költségszint mellett. Ideális alkalmazások közé tartoznak azok az alkalmazások, ahol mind a kopásállóság, mind a jó elektromos szigetelési tulajdonságok elengedhetetlenek - akár 1500 fokos hőmérsékleten is képes!