Zirkonia Toughened Alumina (ZTA)

Zirconia toughened alumina (ZTA) adalah keramik yang direkayasa yang menggabungkan sifat-sifat keramik alumina dan zirkonia untuk memberikan kekuatan mekanis dan ketahanan guncangan termal, sehingga cocok untuk aplikasi ortopedi seperti kepala femoralis dan liner asetabular, dan aplikasi industri seperti seal katup, bushing, suku cadang pompa, alat pemotong, komponen mesin, dan seal katup. Ini dapat ditemukan dalam aplikasi ortopedi seperti kepala femoralis dan liner asetabular sementara aplikasi industri termasuk bushing segel katup, bushing segel katup, suku cadang pompa, alat pemotong, alat pemotong, atau komponen mesin.

ZTA diproduksi melalui proses gelcasting menggunakan bubuk alumina dan bubuk zirkonia yang distabilkan dengan yttria. Proses ini meliputi persiapan bubur, pencetakan, pengeringan pelarut dengan proses pengeringan osmotik dan udara, pirolisis, dan sintering sebagai langkah terakhir.

Ketangguhan

Alumina yang dikeraskan dengan zirkonia adalah bahan yang ideal untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan dan ketangguhan tinggi, yang diproduksi melalui transformasi yang diinduksi oleh tegangan dari partikel zirkonia tetragonal halus ke dalam matriks alumina. Proses ini menghasilkan distribusi ukuran partikel yang seragam yang menghasilkan sifat mekanik yang unggul seperti kekerasan, ketangguhan retak dan ketangguhan - selain menawarkan ketahanan terhadap bahan kimia dan keausan.

Partikel zirkonia yang terdispersi dalam matriks alumina umumnya dicegah untuk berubah karena interaksi kimiawi antara partikel tersebut dengan partikel alumina, tetapi dapat diaktifkan pada saat diberi tekanan untuk mengalami transformasi. Partikel zirkonia yang bertransformasi menciptakan tekanan tekan pada bagian depan retak yang mencegah perambatan; transformasinya menghasilkan ketangguhan yang lebih besar daripada alumina tradisional.

Claussen pertama kali mendeskripsikan transformation toughening pada tahun 1976 dan ditandai dengan partikel yang berinteraksi dengan bagian depan retakan untuk membelokkannya sekaligus menciptakan tegangan tekan sebelum ujung retakan, sehingga meningkatkan ketangguhan patah pada material (Claussen 1976). Efek ini meningkatkan ketangguhan retak.

ZTA dapat diproduksi dengan menggunakan pengepresan isostatik panas dan sangat cocok untuk material pasangan bantalan pinggul, karena telah menunjukkan daya tahan yang lebih unggul dibandingkan dengan kepala femoral keramik yang terbuat dari zirkonia yang distabilkan dengan yttria (Y-TZP) (Gambar 7.10). Selain itu, kandungan alumina yang besar dan kepadatannya yang lebih tinggi membantu mengurangi fenomena penuaan yang terlihat pada Y-TZP yang menyebabkan transformasi t-m yang berlebihan dan degradasi mekanis dari waktu ke waktu (Gambar 7.11 dan 7.12).

ZTA adalah pilihan material yang sangat baik untuk implan medis yang harus tahan terhadap korosi dan paparan cairan tubuh, seperti yang digunakan di ruang operasi dan mesin turbin operasi. Dibandingkan dengan alumina tradisional, ZTA menawarkan ketahanan yang unggul terhadap korosi kimia; ZTA dapat bertahan di lingkungan yang keras tanpa mengalami degradasi atau kegagalan. Selain itu, ZTA memiliki ketahanan guncangan termal yang luar biasa, yang berarti dapat mentolerir perubahan suhu yang cepat seperti komponen tungku dan komponen mesin turbin tanpa retak atau pecah di bawah tekanan.

Daya tahan

Komposit AZ sangat tangguh karena partikel zirkonia yang dikeraskan yang tersebar di dalam matriks alumina. Saat terkena tekanan, partikel mengubah struktur kristal mereka dari bentuk tetragonal menjadi monoklinik yang menyebabkan ekspansi volume dan kompresi yang membantu menghentikan perambatan retak - properti yang dikenal sebagai penguat transformasi ini membuat ZTA dari HMA Wear Solutions ideal untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan, ketangguhan, dan tingkat kekerasan yang tinggi.

Daya tahan semakin meningkat ketika mengalami guncangan termal. Partikel zirkonia yang tersebar di seluruh matriks alumina menyerap energi dari perubahan suhu yang cepat, melindunginya dari patah dan retak karena stres yang disebabkan oleh perubahan suhu yang tiba-tiba. Dengan demikian, keramik dapat digunakan dengan aman pada peralatan yang terpapar perubahan suhu yang tiba-tiba dan intens seperti komponen tungku atau suku cadang mesin turbin tanpa risiko kegagalan.

Alumina yang dikeraskan dengan zirkonia dikenal karena ketahanannya terhadap korosi. Dengan demikian, bahan ini dapat digunakan pada peralatan yang akan bersentuhan dengan cairan atau bahan kimia korosif seperti asam etsa dan bahan pembersih. Selain itu, ketahanan aus mekanis bahan ini membuatnya cocok untuk implan atau perangkat medis yang bersentuhan dengan cairan tubuh atau bahan kimia seperti larutan pembersih.

Karena daya tahan dan ketahanan korosinya, material komposit zirkonia-alumina (ZTA) digunakan di berbagai industri. Produsen alat pemotong sering kali memilih bahan ZTA yang kuat namun tangguh saat membuat alat pemotong; selain itu, bahan ini juga telah digunakan secara luas untuk produksi peralatan medis seperti perangkat implan ortopedi seperti kepala femoralis dan pelapis asetabular.

Material ZTA yang digunakan dalam aplikasi medis dapat bertahan dengan baik karena ketangguhannya yang lebih tinggi terhadap patahan - hingga 20 kali lebih besar daripada alumina saja - yang membantu menurunkan risiko kegagalan getas yang dapat menyebabkan efek kesehatan yang merugikan pada pasien.

Ketahanan Korosi

Alumina yang dikeraskan dengan zirkonia adalah bahan yang keras dan rapuh yang dirancang untuk tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan yang keras. Bahan ini tahan terhadap korosi dan serangan kimia dan memiliki banyak aplikasi di berbagai industri seperti aplikasi kedirgantaraan, manufaktur, dan otomotif - serta kekuatan mekanik yang unggul, ketahanan guncangan termal, dan tingkat keausan yang rendah.

Keramik ZTA berbeda dengan keramik tradisional karena terdiri dari komposit alumina dan zirkonia, yang diproduksi dengan mencampurkan bahan-bahan ini dalam suspensi sebelum disinter pada suhu tinggi. Sintering menghasilkan partikel zirkonia fase tetragonal yang terdispersi halus dalam matriks alumina; ketika retakan bergerak melintasi matriks ini, energinya memicu transformasi fasa yang menghasilkan ekspansi volume yang secara efektif menangkal tekanan yang ada; hal ini menyebabkan retakan yang dibelokkan muncul di beberapa lokasi di dalamnya, mendispersikan energi retakan sambil tetap menghilangkan energi retakan secara bersamaan.

Komposisi bahan ini dapat disesuaikan dengan aplikasi yang dimaksudkan, dengan rasio alumina dan zirkonia disesuaikan seperlunya agar sesuai dengan kebutuhan uniknya. Misalnya, lebih banyak zirkonia dapat ditambahkan ke dalam formulasinya untuk meningkatkan kekuatan tarik sementara lebih banyak alumina akan meningkatkan ketahanan terhadap penuaan hidrotermal dan korosi.

Lini produk ZTA-96 dikembangkan untuk menawarkan solusi hemat biaya untuk aplikasi yang membutuhkan keausan, korosi, dan stabilitas suhu tinggi. Tersedia dalam berbagai macam bentuk dan ukuran dengan toleransi dan hasil akhir yang disesuaikan, keramik ini dapat memberikan kinerja yang andal dalam aplikasi yang sulit.

Zirkonia yang dikeraskan dengan alumina telah lama dikenal karena ketahanannya terhadap keausan dan korosi, serta stabilitas kimianya yang sangat baik - kedua fitur tersebut membuatnya sangat cocok untuk aplikasi medis di mana cairan tubuh atau bahan kimia bersentuhan dengannya. Selain itu, Zirkonia dianggap sebagai kandidat yang menarik untuk implan gigi dan bedah karena sifat kompatibilitas biologisnya yang unggul.

Biolox Delta oleh CeramTec dari Plochingen, Jerman diluncurkan untuk penjualan komersial sebagai salah satu bahan ZTA pertama yang tersedia secara komersial pada tahun 2000 sebagai bahan pengganti implan untuk kepala femur dan pelapis asetabular. Terdiri dari matriks alumina yang diperkuat dengan zirkonia dan strontium aluminat yang menyediakan mekanisme penajaman ujung retak dan mekanisme pengerasan; bersama dengan kromium oksida untuk mencegah korosi pada kondisi suhu rendah; lebih dari 320.000 kepala femur dan 160.000 sisipan telah diimplan dengan menggunakan keramik restoratif ini menurut laporan CeramTec.

Tahan Guncangan Termal

Butiran zirkonia yang dikombinasikan dengan matriks alumina menghasilkan material dengan ketahanan guncangan termal yang luar biasa, membuatnya sempurna untuk aplikasi yang melibatkan suhu ekstrem. Selain itu, komposit Alumina-Zirkonia cenderung mengungguli alumina murni dalam hal daya tahan bahkan di bawah paparan sandblasting yang lama.

ZTA menawarkan ketangguhan patah yang tinggi, menjadikannya pilihan material yang ideal dalam aplikasi di mana material yang rapuh tidak diinginkan. Namun, untuk kekuatan dan ketangguhan maksimum, komposit Alumina-Zirkonia harus disinter dan dipadatkan dengan benar; suhu yang terlalu rendah dapat menyebabkan cacat titik dan mengurangi kekuatan lentur - oleh karena itu mengapa 1550 derajat Celcius harus digunakan untuk memastikan fusi dan distribusi ukuran partikel yang optimal.

Komposit alumina-zirkonia memberikan ketahanan aus yang sangat baik pada alat pemotong dan komponen abrasif lainnya, dan memiliki gesekan rendah untuk menawarkan kelembaman kimiawi tambahan dan biaya yang lebih rendah dibandingkan dengan bahan serupa yang digunakan untuk implan ortopedi. Kombinasi sifat-sifatnya membuat komposit ini sangat diminati dalam aplikasi medis.

Menekankan komposit alumina-zirkonia menyebabkan zirkonia tetragonal metastabil mengalami transformasi menjadi zirkonia monoklinik dan menyebabkan perluasan volume kristal zirkonia, mendorong kembali ujung retakan sekaligus meningkatkan ketangguhan - efek ini dikenal sebagai pengerasan transformasi yang diinduksi oleh tegangan.

Alumina yang dikeraskan dengan zirkonia dikenal kuat dan tahan lama sekaligus mengisolasi secara elektrik - hal ini membuatnya menjadi pilihan bahan yang fantastis untuk komponen yang membutuhkan isolasi mekanis dan elektrik, seperti selongsong.

Komposit alumina-zirkonia yang dibuat menggunakan Yttria Stabilized Zirconia (8YSZ) telah terbukti lebih unggul daripada yang dibuat menggunakan alumina yang tidak distabilkan, dengan biaya yang sama kompetitifnya. Aplikasi yang ideal meliputi aplikasi yang membutuhkan ketahanan abrasi dan sifat isolasi listrik yang baik - suhu hingga 1500 derajat Celcius berada dalam kapasitasnya!