Alumina yang Diperkuat Zirkonia (ZTA) – Menghadirkan Terobosan Baru dalam Kekuatan dan Ketahanan

Keramik komposit matriks alumina yang diperkuat zirkonia menawarkan karakteristik kekerasan, ketangguhan patah, dan kekuatan lentur yang optimal. Keramik zirkonia jenis ini cenderung lebih tahan terhadap degradasi pada suhu rendah dan kerusakan akibat tegangan, serta menunjukkan sifat mekanik yang kuat.

Kekuatan

Alumina yang Diperkuat Zirkonia memiliki matriks alumina yang didoping dengan aditif yttria dan oksida kromium untuk melindungi zirkonia dari degradasi hidrotermal dengan cara menangkap molekul uap air pada permukaannya, sehingga mencegah difusi molekul tersebut ke dalam fase zirkonia. Selain itu, aditif-aditif ini diketahui dapat memperlambat kinetika transformasi fasa (Pezzotti dkk., 2010a).

Keramik ZTA menunjukkan kekuatan mekanik yang tinggi berkat penguatan melalui transformasi. Ketika mengalami tegangan, partikel zirkonia mengubah struktur kristalnya dari struktur kristal tetragonal metastabil menjadi struktur kristal monoklinik, yang menyebabkan perluasan volume yang menekan matriks alumina di sekitarnya sehingga mencegah penyebaran retakan dan meningkatkan ketangguhan patah.

Penambahan yttria dan kromium ke dalam matriks alumina dapat meningkatkan ketahanannya terhadap serangan kimia dari air atau cairan tubuh, yang sangat relevan dalam aplikasi medis di mana korosi yang dipicu tegangan pada alumina dapat terjadi saat bersentuhan dengan air atau cairan tubuh. Fitur ini membuat bahan tersebut semakin cocok untuk perlindungan terhadap korosi yang dipicu tegangan di lingkungan medis, di mana kontak dengan air atau cairan tubuh dapat menyebabkan korosi yang dipicu tegangan pada substrat alumina.

Biolox Delta dari CeramTec merupakan contoh bahan keramik ZTA dan telah diimplan ke lebih dari 320.000 kepala femur dan 160.000 lapisan acetabular untuk memberikan kekuatan, ketangguhan, ketangguhan terhadap retakan, serta ketahanan aus yang melampaui alumina murni – sesuatu yang tidak dapat ditandingi oleh bahan biomaterial keramik lain yang saat ini digunakan dalam aplikasi ortopedi.

Ketangguhan

Kombinasi ketangguhan dan kekuatan zirkonia menjadikannya bahan pemotong yang sangat baik, terutama untuk memotong bahan berkinerja tinggi seperti nitrida boron kubik (CBN). Ketahanan ausnya yang unggul memungkinkan zirkonia bekerja pada kecepatan tinggi dengan menghasilkan panas dan getaran yang lebih rendah dibandingkan alat potong karbida tungsten, sekaligus bersifat inert secara kimia, memiliki gesekan rendah, serta memiliki kekerasan panas, kekuatan tarik, dan ketahanan panas yang baik dibandingkan logam. Selain itu, ZTA menunjukkan ekspansi termal yang relatif rendah, sehingga cocok untuk lingkungan pemesinan dengan kandungan kelembapan, seperti permukaan CBN atau logam yang dapat diproses.

Garvie dkk. (1975) menemukan bahwa endapan metastabil tetragonal yang tersebar halus dapat diubah menjadi fase monoklinik melalui perlakuan kimia, sehingga menghasilkan peningkatan sifat mekanis seperti kekuatan lentur dan ketangguhan. Aplikasi komersial menggunakan zat penstabil untuk mengelola proses transformasi ini dan meningkatkan ketangguhan – misalnya, CeramTec telah mengkomersialkan Biolox Delta ZTA dengan yttria sebagai zat penstabilnya serta aditif yang mengandung kromium dan strontium untuk meningkatkan mekanisme penguatan ketangguhan di dalam matriks alumina-nya.

Ukuran partikel zirkonia memainkan peran penting dalam proses penguatan, di mana partikel yang lebih kecil menghasilkan dispersi yang lebih baik dan pembentukan retakan mikro. Selain itu, mengubah perbandingan zirkonia terhadap alumina memungkinkan para perancang menyesuaikan sifat keramik secara spesifik untuk aplikasi tertentu—batang dan tabung untuk implan medis, selongsong isolasi untuk komponen pesawat terbang di ketinggian tinggi, atau komponen otomotif, semuanya dapat memperoleh manfaat dari komponen khusus yang dibuat secara khusus menggunakan keramik zirkonia.

Kekakuan

Keramik zirkonia adalah bahan yang keras, tahan aus, dan stabil secara termal, yang menawarkan ketahanan luar biasa terhadap gesekan, sehingga cocok untuk alat potong. Sifat-sifatnya—dikombinasikan dengan elastisitas tinggi dan ketangguhan patah—juga menjadikan ZTA sebagai bahan yang sangat baik. Saat dipanaskan pada suhu normal, ZTA menawarkan kinerja yang lebih baik dibandingkan alumina murni dengan kekuatan lentur dan ketangguhan patah yang lebih tinggi; sifat mekanisnya bahkan dapat disesuaikan sesuai kebutuhan aplikasi tertentu berdasarkan perbandingan kandungan zirkonia dan alumina dalam komposisinya.

Alumina yang Diperkuat Zirkonia (ZTA) menonjol sebagai pilihan yang menarik dibandingkan zirkonia monolitik berkat sifat enkapsulasinya. Sementara zirkonia monolitik rentan terhadap kemisorpsi molekul air dan degradasi pada suhu rendah, ZTA menyediakan matriks pelindung yang membungkus transformasi lokal di dalamnya; sehingga membatasi penyebaran transformasi tersebut.

Mekanisme enkapsulasi ZTA tidak hanya mencegah degradasi pada suhu rendah, tetapi juga membuat material ini lebih tahan terhadap korosi yang dipicu tegangan dalam air atau cairan tubuh; hal ini disebabkan oleh transformasi lokal butiran zirkonia dari struktur tetragonal menjadi monoklinik yang terjadi di dalam setiap butiran zirkonia itu sendiri, bukan menyebar ke seluruh bagiannya. Selain itu, ZTA cenderung lebih tahan terhadap penyebaran retakan di bawah beban kelelahan berkat kemampuannya menahan deformasi pada suhu tinggi.

Daya tahan

Alumina yang diperkuat zirkonia (ZTA) merupakan hasil penggabungan kekuatan dan ketahanan zirkonia dengan ketahanan abrasi alumina, sehingga menghasilkan bahan teknis canggih yang melampaui kedua bahan tersebut jika digunakan secara terpisah. Sebagai keramik komposit berbasis zirkonia, ZTA jauh lebih tahan lama daripada masing-masing komponen penyusunnya; selain itu, ZTA juga memiliki ketahanan korosi yang lebih tinggi serta mampu menahan panas lebih baik daripada alumina standar.

Salah satu faktor utama ketahanan ZTA terletak pada kemampuannya untuk mempertahankan fase tetragonal metastabilnya bahkan pada suhu yang lebih tinggi, berkat penambahan alumina sebagai agen penstabil dalam matriksnya. Alumina juga memiliki modulus elastisitas yang jauh lebih tinggi daripada zirkonia monolitik, sehingga membantu menyerap energi kimia dan mekanis yang, jika tidak, akan menyebabkan transformasi menjadi fase monoklinik dan degradasi lebih lanjut pada Zirconia Toughened Alumina. Pengujian statis dan siklik pada alumina dan zirkonia monolitik telah menunjukkan bahwa ZTA memberikan ketangguhan dan ambang tegangan untuk propagasi retakan yang jauh lebih unggul daripada zirkonia monolitik. Kombinasi kekuatan dan ketangguhan yang tinggi dari zirkonia dan alumina menghasilkan ketahanan aus yang unggul untuk aplikasi penahan beban, menjadikannya ideal untuk digunakan dalam komponen ortopedi seperti implan pinggul, alat potong dan perkakas industri, segel tahan abrasi, atau aplikasi pertambangan.