Cirkonio grūdintas aliuminis (ZTA)

Cirkonio grūdintasis aliuminio oksidas (ZTA) - tai inžinerinė keramika, kurioje derinamos aliuminio oksido ir cirkonio keramikos savybės, užtikrinančios mechaninį tvirtumą ir atsparumą terminiams smūgiams, todėl ji tinka ortopedijos reikmėms, pavyzdžiui, šlaunikaulio galvutėms ir acetabulų įdėklams, ir pramoninėms reikmėms, pavyzdžiui, vožtuvų sandarikliams, įvorėms, siurblių dalims, pjovimo įrankiams, variklių komponentams ir vožtuvų sandarikliams. Jį galima naudoti ortopedijoje, pavyzdžiui, šlaunikaulio galvutėms ir acetabuliniams įdėklams, o pramonėje - vožtuvų sandarikliams įvorėms vožtuvų sandarikliams įvorėms siurblių dalims pjovimo įrankiams pjovimo įrankiams arba variklių komponentams.

ZTA gaminamas gelio liejimo būdu, naudojant aliuminio oksido ir itriu stabilizuotų cirkonio oksido miltelių. Šį procesą sudaro suspensijos paruošimas, formavimas, džiovinimas tirpikliais su osmosiniu ir oro džiovinimu, pirolizė ir sukepinimas kaip paskutiniai etapai.

Tvirtumas

Cirkonio grūdintasis aliuminio oksidas yra ideali medžiaga, tinkama naudoti tais atvejais, kai reikia ir didelio stiprumo, ir atsparumo, nes ji gaunama smulkioms tetragoninio cirkonio dalelių dalelėms transformuojantis į aliuminio oksido matricą dėl įtempių. Šio proceso metu gaunamas tolygus dalelių dydžio pasiskirstymas, dėl kurio išgaunamos puikios mechaninės savybės, tokios kaip kietumas, atsparumas lūžiams ir kietumas, taip pat atsparumas cheminėms medžiagoms ir dilimui.

Cirkonio dalelės, disperguotos aliuminio oksido matricoje, dėl cheminės sąveikos tarp jų ir aliuminio oksido dalelių paprastai nesikeičia, tačiau veikiamos įtempių gali būti aktyvuotos ir transformuotis. Transformuotos cirkonio dalelės sukuria gniuždymo įtempius įtrūkimų frontuose, kurie užkerta kelią jų plitimui; jų transformacija lemia didesnį atsparumą nei tradicinio aliuminio oksido.

Pirmą kartą Claussenas 1976 m. aprašė transformacijos grūdinimą, kuriam būdinga tai, kad dalelės sąveikauja su įtrūkimų frontais ir juos nukreipia, tuo pat metu sukurdamos gniuždymo įtempius prieš įtrūkimų viršūnes, taip padidindamos medžiagų atsparumą lūžiams (Claussen 1976). Dėl šio poveikio padidėja lūžio atsparumas.

ZTA gali būti gaminamas karšto izostatinio presavimo būdu ir puikiai tinka klubo sąnario endoprotezų guolių porų medžiagoms, nes, palyginti su keraminėmis šlaunikaulio galvutėmis, pagamintomis iš itriu stabilizuoto cirkonio (Y-TZP), yra geriau išsilaikantis (7.10 pav.). Be to, didelis aliuminio oksido kiekis ir didesnis tankis padeda sušvelninti Y-TZP senėjimo reiškinius, dėl kurių laikui bėgant perdėtai vyksta t-m transformacija ir mechaninė degradacija (7.11 ir 7.12 pav.).

ZTA yra puiki medžiaga medicininiams implantams, kurie turi būti atsparūs korozijai ir kūno skysčių poveikiui, pavyzdžiui, operacinėse ir operacinių turbinų varikliuose naudojamiems implantams. Palyginti su tradiciniu aliuminio oksidu, ZTA pasižymi geresniu atsparumu cheminei korozijai; jis gali atlaikyti atšiaurias aplinkos sąlygas, nesuirti ir nesugesti. Be to, ZTA pasižymi išskirtiniu atsparumu terminiam smūgiui, t. y. gali atlaikyti staigius temperatūros pokyčius, pavyzdžiui, krosnių komponentų ir turbininių variklių komponentų, nesutrūkinėdamas ir nesulūždamas dėl slėgio.

Patvarumas

AZ kompozitai yra labai tvirti dėl grūdinto cirkonio dalelių, disperguotų aliuminio oksido matricoje. Veikiant įtempiams, dalelės pakeičia savo kristalinę struktūrą iš tetragoninės į monoklininę, dėl to tūris išsiplečia ir susispaudžia, o tai padeda stabdyti įtrūkimų plitimą - dėl šios savybės, vadinamos transformaciniu grūdinimu, ZTA iš "HMA Wear Solutions" idealiai tinka toms sritims, kurioms reikia didelio stiprumo, kietumo ir kietumo.

Ilgaamžiškumas dar labiau padidėja veikiant terminiam šokui. Cirkonio dalelės, išsklaidytos aliuminio oksido matricoje, sugeria greitų temperatūros pokyčių energiją, apsaugodamos jas nuo lūžių ir įtrūkimų, atsirandančių dėl staigių temperatūros pokyčių sukeltų įtempių. Todėl keramiką galima saugiai naudoti staigių ir intensyvių temperatūros pokyčių veikiamoje įrangoje, pavyzdžiui, krosnių sudedamosiose dalyse arba turbininių variklių dalyse, nerizikuojant sugesti.

Cirkonio grūdintas aliuminio oksidas pasižymi atsparumu korozijai. Todėl jis gali būti naudojamas įrangoje, kuri liečiasi su koroziją sukeliančiais skysčiais ar cheminėmis medžiagomis, pvz., ėsdinimo rūgštimis ir valikliais. Be to, dėl šios medžiagos atsparumo mechaniniam dilimui ji tinka medicininiams implantams ar prietaisams, kurie liečiasi su kūno skysčiais ar cheminėmis medžiagomis, pavyzdžiui, valymo tirpalais.

Dėl savo ilgaamžiškumo ir atsparumo korozijai cirkonio oksido ir aliuminio oksido kompozitinės medžiagos (ZTA) naudojamos daugelyje pramonės šakų. Pjovimo įrankių gamintojai, kurdami pjovimo įrankius, dažnai renkasi tvirtas, tačiau atsparias ZTA medžiagas; be to, ji plačiai naudojama medicinos įrangai gaminti, pavyzdžiui, ortopediniams implantams, tokiems kaip šlaunikaulio galvutės ir acetabulų įdėklai.

Medicinoje naudojamos ZTA medžiagos gerai laikosi dėl didesnio atsparumo lūžiams - iki 20 kartų didesnio nei vien tik aliuminio oksido - kuris padeda sumažinti trapumo riziką, galinčią sukelti neigiamą poveikį pacientų sveikatai.

Atsparumas korozijai

Cirkonio grūdintasis aliuminio oksidas yra kieta, trapi medžiaga, sukurta atlaikyti aukštą temperatūrą ir atšiaurią aplinką. Ji atspari korozijai ir cheminiam poveikiui, todėl ją galima naudoti įvairiose pramonės šakose, pavyzdžiui, aviacijos, gamybos ir automobilių pramonės srityse, taip pat pasižymi išskirtiniu mechaniniu tvirtumu, atsparumu terminiams smūgiams ir mažu dilimu.

ZTA keramika skiriasi nuo tradicinės keramikos tuo, kad ją sudaro aliuminio oksido ir cirkonio oksido kompozitai, gaminami maišant šias medžiagas suspensijoje prieš sukepinant aukštoje temperatūroje. Sukepinant susidaro smulkiai išsklaidytos tetragoninės fazės cirkonio dalelės aliuminio oksido matricoje; kai įtrūkimai juda per šią matricą, jų energija sukelia fazinius virsmus, dėl kurių tūris plečiasi, o tai veiksmingai neutralizuoja bet kokius esamus įtempius; dėl to daugelyje matricos vietų atsiranda išsklaidytų įtrūkimų, kurie išsklaido įtrūkimo energiją ir kartu išsklaido visą įtrūkimo energiją.

Šios medžiagos sudėtis gali būti pritaikyta pagal numatytą paskirtį, o aliuminio oksido ir cirkonio oksido santykis gali būti koreguojamas pagal unikalius reikalavimus. Pavyzdžiui, norint padidinti tempimo stiprį, į jos sudėtį būtų galima įdėti daugiau cirkonio oksido, o daugiau aliuminio oksido padidintų atsparumą hidroterminiam senėjimui ir korozijai.

ZTA-96 gaminių linija buvo sukurta siekiant pasiūlyti ekonomiškus sprendimus, kai reikia užtikrinti atsparumą dilimui, korozijai ir aukštai temperatūrai. Ši keramika, kurią galima įsigyti įvairių formų ir dydžių, su individualiai pritaikomomis tolerancijomis ir apdaila, gali užtikrinti patikimą veikimą sudėtingose srityse.

Cirkonio grūdintas aliuminio oksidas jau seniai pripažintas dėl savo atsparumo dilimui ir korozijai, taip pat dėl puikaus cheminio stabilumo - dėl abiejų šių savybių jis puikiai tinka naudoti medicinoje, kur su juo liečiasi kūno skysčiai ar cheminės medžiagos. Be to, dėl savo puikių biologinio suderinamumo savybių cirkonis laikomas patraukliu kandidatu dantų ir chirurginių implantų gamybai.

"Biolox Delta", kurią 2000 m. Plochingene (Vokietija) pagamino bendrovė "CeramTec", buvo pradėta komerciškai pardavinėti kaip viena pirmųjų ZTA medžiagų, skirtų šlaunikaulio galvutėms ir acetabuliniams įdėklams implantuoti. Sudaryta iš aliuminio oksido matricos, sustiprintos cirkonio oksidu ir stroncio aliuminatu, kurie užtikrina įtrūkimų viršūnės susilpninimo ir sutvirtinimo mechanizmus; kartu su chromo oksidu, kuris apsaugo nuo korozijos žemos temperatūros sąlygomis; "CeramTec" duomenimis, naudojant šią atkuriamąją keramiką implantuota daugiau kaip 320 000 šlaunikaulio galvučių ir 160 000 įdėklų.

Atsparumas šiluminiam smūgiui

Cirkonio oksido grūdeliai kartu su aliuminio oksido matrica sukuria medžiagą, pasižyminčią išskirtiniu atsparumu terminiams smūgiams, todėl ji puikiai tinka naudoti esant ekstremalioms temperatūroms. Be to, aliuminio-cirkonio kompozitai savo ilgaamžiškumu lenkia gryną aliuminio oksidą, net ir ilgai veikiant smėliasrovei.

ZTA pasižymi dideliu atsparumu lūžiams, todėl tai ideali medžiaga, kurią galima naudoti ten, kur nenorima naudoti trapių medžiagų. Tačiau, norint pasiekti didžiausią stiprumą ir atsparumą, aliuminio-cirkonio kompozitai turi būti tinkamai sukepinti ir sutankinti; dėl per žemos temperatūros gali atsirasti taškinių defektų ir sumažėti atsparumas lenkimui, todėl, siekiant užtikrinti optimalų lydymąsi ir dalelių dydžio pasiskirstymą, reikėtų naudoti 1550 laipsnių temperatūrą.

Aliuminio ir cirkonio oksido kompozitai pasižymi puikiu atsparumu pjovimo įrankių ir kitų abrazyvinių komponentų dėvėjimuisi, maža trintimi, taip pat cheminiu inertiškumu ir mažesne kaina, palyginti su panašiomis medžiagomis, naudojamomis ortopediniams implantams gaminti. Dėl jų savybių derinio šie kompozitai yra labai pageidautini medicinos reikmėms.

Įtempiant aliuminio oksido ir cirkonio kompozitus, metastabilus tetragoninis cirkonis transformuojasi į monoklininį cirkonį ir plečiasi cirkonio kristalų tūris, todėl įtrūkimų viršūnės pasislenka atgal, o atsparumas padidėja - šis efektas vadinamas įtempių sukeltos transformacijos grūdinimu.

Cirkonio grūdintasis aliuminio oksidas pasižymi tvirtumu ir ilgaamžiškumu, tačiau kartu yra elektriškai izoliuojantis - todėl tai puiki medžiaga komponentams, kuriems reikia ir mechaninės, ir elektrinės izoliacijos, pvz., įvorėms, gaminti.

Įrodyta, kad aliuminio-cirkonio kompozitai, pagaminti naudojant itriu stabilizuotą cirkonį (8YSZ), yra pranašesni už kompozitus, pagamintus naudojant nestabilizuotą aliuminio oksidą, o jų kaina yra tokia pat konkurencinga. Idealiai tinka naudoti ten, kur būtinas atsparumas dilimui ir geros elektrinės izoliacijos savybės - jis gali dirbti iki 1500 laipsnių C temperatūroje!