ジルコニア強化アルミナ（ZTA）

ジルコニア強化アルミナ（ZTA）は、アルミナとジルコニアセラミックの両方の特性を併せ持つエンジニアリングセラミックで、機械的強度と耐熱衝撃性を備えており、大腿骨頭や寛骨臼ライナーなどの整形外科用途や、バルブシール、ブッシング、ポンプ部品、切削工具、エンジン部品、バルブシールなどの工業用途に適しています。大腿骨頭や寛骨臼ライナーのような整形外科用途に見られる一方、工業用途にはバルブ・シール、バルブ・シール・ブッシュ、ポンプ部品、切削工具、エンジン部品などがある。

ZTAは、粉末アルミナとイットリア安定化ジルコニア粉末を使用したゲルキャスト法により製造される。このプロセスには、スラリーの調製、成型、浸透乾燥と風乾の両方を伴う溶剤乾燥、熱分解、最終工程としての焼結が含まれる。

タフネス

ジルコニア強化アルミナは、正方晶の微細なジルコニア粒子をアルミナ・マトリックスに応力誘起変態させることにより製造され、高強度と靭性の両方を必要とする用途に理想的な材料です。このプロセスにより、硬度、破壊靭性、靭性などの優れた機械的特性が得られ、耐薬品性、耐摩耗性も向上します。

アルミナ・マトリックス内に分散したジルコニア粒子は、それ自身とアルミナ粒子との間の化学的相互作用により、一般に変質するのを妨げられるが、応力がかかると活性化して変質を起こすことがある。変質したジルコニア粒子は、亀裂の前面に圧縮応力を発生させ、亀裂の伝播を妨げます。その変質により、従来のアルミナよりも高い靭性が得られます。

Claussenは1976年に変態強靭化について初めて説明した。変態強靭化の特徴は、粒子がき裂前面と相互作用してき裂前面をそらすと同時に、き裂先端に圧縮応力を発生させ、材料の破壊靭性を高めることである（Claussen 1976）。この効果により破壊靭性が向上する。

ZTAは熱間静水圧プレス法で製造でき、イットリア 安定化ジルコニア（Y-TZP）製のセラミック製大腿骨頭 と比較して優れた生存率を示しており、人工股関節置換 ベアリングのカップル材に適している（図7.10）。さらに、アルミナの含有量が多く密度が高いため、Y-TZP に見られる経時変化現象が緩和され、t-m 変態の誇張や経時的な機械的劣化が起こりにくくなる（図7.11および7.12）。

ZTAは、手術室やタービンエンジンで使用されるような、腐食や体液への曝露に対する耐性が求められる医療用インプラントに最適な材料です。従来のアルミナと比較して、ZTAは化学的腐食に対して優れた耐性を示し、劣化や破損を起こすことなく過酷な環境に耐えることができます。さらに、ZTAは卓越した耐熱衝撃性を誇り、炉の部品やタービンエンジンの部品のような急激な温度変化にも耐えることができ、圧力がかかっても割れたり破損したりすることはありません。

耐久性

AZ複合材料は、アルミナ・マトリックス内に分散した強靭化ジルコニア粒子により、非常に強靭です。応力にさらされると、粒子は結晶構造を正方晶から単斜晶に変化させ、体積膨張と圧縮を引き起こし、亀裂の伝播を食い止めるのに役立ちます。変態強化として知られるこの特性により、HMAウェア・ソリューションズのZTAは、高い強度、靭性、硬度レベルを必要とする用途に理想的です。

熱衝撃を受けると耐久性はさらに向上します。アルミナ・マトリックス中に分散したジルコニア粒子は、急激な温度変化によるエネルギーを吸収し、急激な温度変化による応力による破壊や亀裂から保護します。そのため、セラミックは、炉の部品やタービン・エンジンの部品など、急激で激しい温度変化にさらされる機器に、故障のリスクを冒すことなく安全に使用することができます。

ジルコニア強化アルミナは耐腐食性で知られています。そのため、エッチング酸や洗浄剤のような腐食性の液体や化学薬品に接触する機器に使用することができます。さらに、この材料の機械的耐摩耗性は、体液や洗浄液などの化学薬品に接触する医療用インプラントや機器に適しています。

その耐久性と耐食性により、ジルコニア・アルミナ複合材料（ZTA）は多くの産業で使用されています。切削工具メーカーは、切削工具を製造する際、ZTAの強靭でありながら強靭な材料を頻繁に選択する。さらに、ZTAは、大腿骨頭や寛骨臼ライナーのような整形外科用インプラント装置のような医療機器の製造にも広く使用されるようになっている。

医療用途に使用されるZTA材料は、その高い破壊靭性（アルミナ単独の破壊靭性の最大20倍）により、患者の健康に悪影響を及ぼす可能性のある脆性破壊のリスクを低減するのに役立っている。

耐食性

ジルコニア強化アルミナは、高温と過酷な環境に耐えるように設計された硬くて脆い材料です。腐食やケミカル・アタックに強く、優れた機械的強度、耐熱衝撃性、低摩耗率だけでなく、航空宇宙、製造、自動車用途など、さまざまな産業で数多くの用途があります。

ZTAセラミックスが従来のセラミックスと異なる点は、アルミナとジルコニアの複合材料から構成されている点であり、高温での焼結前にこれらの材料を懸濁液中で混合することによって製造される。焼結により、アルミナ・マトリックス内に微細に分散した正方晶相のジルコニア粒子が生成されます。このマトリックスにクラックが入ると、そのエネルギーが相変態を引き起こし、体積膨張を生じさせ、存在する応力を効果的に打ち消します。これにより、偏向破壊がマトリックス内の複数の場所に生じ、破壊エネルギーを分散させながら、破壊エネルギーを完全に消散させます。

この材料の組成は、その用途に応じて調整することができ、アルミナとジルコニアの比率は、固有の要件に合わせて必要に応じて調整することができる。例えば、引張強度を高めるためにジルコニアを多く配合し、一方でアルミナを多く配合すれば、熱水老化や腐食に対する耐性を高めることができる。

ZTA-96製品ラインは、摩耗、腐食、高温安定性を必要とする用途に費用対効果の高いソリューションを提供するために開発されました。カスタマイズされた公差と仕上げが可能なさまざまな形状とサイズで利用できるこのセラミックは、厳しい用途で信頼性の高い性能を発揮します。

ジルコニア強化アルミナは、その耐摩耗性と耐食性、そして優れた化学的安定性が長い間認められてきました。この2つの特徴により、体液や化学物質が接触する医療用途に適しています。さらに、ジルコニアは、その優れた生物学的適合性特性により、歯科用および外科用インプラントの魅力的な候補と考えられています。

ドイツ、プロヒンゲンのセラムテック社によるBiolox Deltaは、大腿骨頭や寛骨臼ライナー用のインプラント代替材料として、2000年に市販された最初のZTA材料の一つとして発売された。CeramTec社の報告によると、ジルコニアとストロンチウム・アル ミネートで強化されたアルミナ・マトリックスで構成され、亀裂 先端鈍化機構と強靭化機構を提供し、低温条件下での腐食を 防止する酸化クロムを備えている。

耐熱衝撃性

ジルコニア粒子をアルミナ・マトリックスと組み合わせることで、卓越した耐熱衝撃性を持つ材料となり、極端な温度を伴う用途に最適です。さらに、アルミナ-ジルコニア複合材料は、長時間のサンドブラスト暴露下でも、耐久性の点で純粋なアルミナを上回る傾向があります。

ZTAは高い破壊靭性を持つため、脆い材料が好まれない用途では理想的な材料選択となる。しかし、最大限の強度と靭性を得るためには、アルミナ-ジルコニア複合材を適切に焼結し、圧縮する必要があります。温度が低すぎると、点欠陥が生じ、曲げ強度が低下する可能性があります。そのため、最適な融合と粒度分布を確保するために1550℃を使用する必要があります。

アルミナ-ジルコニア複合材料は、切削工具やその他の研磨部品において優れた耐摩耗性を発揮し、整形外科用インプラントに使用される同様の材料と比較して、低摩擦で化学的不活性に優れ、低コストである。これらの特性の組み合わせにより、これらの複合材料は医療用途において非常に望ましいものとなっている。

アルミナ-ジルコニア複合材料に応力を加えると、準安定な正方晶ジルコニアが単斜晶ジルコニアに変態し、ジルコニア結晶の体積膨張を引き起こす。

ジルコニア強化アルミナは、電気絶縁性でありながら強度と耐久性に優れていることで知られています。このため、スリーブのように機械的絶縁と電気絶縁の両方が必要な部品に最適な材料です。

イットリア安定化ジルコニア（8YSZ）を使用して製造されたアルミナ-ジルコニア複合材料は、非安定化アルミナを使用して製造されたものよりも優れていることが、同等の競争力のあるコストポイントで証明されています。理想的な用途としては、耐摩耗性と良好な電気絶縁性の両方が不可欠な用途が挙げられます！