Cirkonija rūdītais alumīnija oksīds (ZTA)

Cirkona oksīda pastiprināts alumīnija oksīds (ZTA) ir inženierkeramika, kas apvieno gan alumīnija oksīda, gan cirkona oksīda keramikas īpašības, nodrošinot mehānisko izturību un izturību pret termiskajiem triecieniem, tādējādi padarot to piemērotu ortopēdijas jomā, piemēram, augšstilba kaula galviņām un gūžas dobuma ieliktņiem, kā arī rūpniecībā, piemēram, vārstu blīvēm, uzmavas, sūkņu detaļas, griešanas instrumenti, dzinēja komponenti un vārstu blīvējumi. To var atrast ortopēdijas lietojumos, piemēram, augšstilba galviņās un gūžas dobuma ieliktņos, savukārt rūpnieciskajos lietojumos — vārstu blīvējumos, uzmavās, sūkņu detaļās, griešanas instrumentos vai dzinēja komponentos.

ZTA tiek ražots, izmantojot gēla liešanas metodi, kurā tiek izmantoti alumīnija oksīda pulveri un ar itrija oksīdu stabilizēti cirkona oksīda pulveri. Šis process ietver šķidrās masas sagatavošanu, formēšanu, žāvēšanu ar šķīdinātāju, izmantojot gan osmotiskās, gan gaisa žāvēšanas metodes, pirolīzi un galīgos posmus — aglomerēšanu.

Izturība

Ar cirkona oksīdu nostiprināts alumīnija oksīds ir ideāls materiāls lietojumiem, kuros nepieciešama gan augsta izturība, gan izturība pret lūzumiem; to ražo, izmantojot sprieguma izraisītu smalko tetragonālo cirkona oksīda daļiņu pārveidošanos alumīnija oksīda matricā. Šis process nodrošina vienmērīgu daļiņu izmēru sadalījumu, kas nodrošina izcilas mehāniskās īpašības, piemēram, cietību, lūzuma izturību un izturību, kā arī ķīmisko izturību un nodilumizturību.

Cirkonija daļiņas, kas izkliedētas alumīnija oksīda matricā, parasti nevar mainīties savstarpējo ķīmisko mijiedarbību dēļ ar alumīnija oksīda daļiņām, taču, pakļautas slodzei, tās var tikt aktivizētas un pārveidoties. Pārveidojušās cirkonija daļiņas rada spiedes spriegumus plīsumu priekšgalos, kas kavē plīsumu izplatīšanos; to pārveidošanās nodrošina lielāku izturību nekā tradicionālajam alumīnija oksīdam.

Klaussens pirmo reizi aprakstīja transformācijas izturības palielināšanos 1976. gadā, un to raksturo tas, ka daļiņas mijiedarbojas ar plīsumu frontēm, novirzot tās, vienlaikus radot spiedes spriegumus pirms plīsumu galiem, tādējādi palielinot materiālu lūzuma izturību (Klaussens, 1976). Šis efekts palielina lūzuma izturību.

ZTA var ražot, izmantojot karstā izostātiskā presēšana, un tas ir labi piemērots gūžas endoprotezes gultņu pāru materiāliem, jo ir pierādījis labāku izturību salīdzinājumā ar keramiskajām augšstilba galviņām, kas izgatavotas no itrija stabilizēta cirkona (Y-TZP) (7.10. attēls). Turklāt tā lielais alumīnija oksīda saturs un augstāka blīvums palīdz mazināt Y-TZP novērotās novecošanās parādības, kas laika gaitā izraisa pārmērīgu t-m fāžu pāreju un mehānisko degradāciju (7.11. un 7.12. attēls).

ZTA ir lieliska materiāla izvēle medicīniskajiem implantiem, kuriem jābūt izturīgiem pret koroziju un saskari ar ķermeņa šķidrumiem, piemēram, tiem, ko izmanto operāciju zālēs un turbīnu dzinēju darbībā. Salīdzinājumā ar tradicionālo alumīnija oksīdu ZTA nodrošina izcilu izturību pret ķīmisko koroziju; tas spēj izturēt nelabvēlīgus apstākļus, nesabojājoties un nedarbojoties kļūdaini. Turklāt ZTA izceļas ar izcilu termiskā šoka izturību, kas nozīmē, ka tas var izturēt straujas temperatūras svārstības, piemēram, krāsns detaļās un turbīndzinēju detaļās, neplaisājot vai nelūstot zem spiediena.

Izturība

AZ kompozītmateriāli ir ārkārtīgi izturīgi, pateicoties rūdītajām cirkona daļiņām, kas izkliedētas alumīnija oksīda matricā. Pakļautas slodzei, šīs daļiņas maina savu kristālo struktūru no tetragonālās uz monoklīnisko, izraisot tilpuma izplešanos un saspiešanos, kas palīdz apturēt plaisu izplatīšanos – šī īpašība, kas pazīstama kā transformācijas izturības palielināšana, padara HMA Wear Solutions ražotos ZTA materiālus ideāli piemērotus lietojumiem, kuros nepieciešama augsta izturība, stingrība un cietība.

Izturība vēl vairāk palielinās, pakļaujot materiālu termiskajam šokam. Cirkona daļiņas, kas izkliedētas visā alumīnija oksīda matricā, absorbē enerģiju no straujām temperatūras izmaiņām, aizsargājot tās no lūzumiem un plaisām, ko izraisa pēkšņu temperatūras svārstību radītais spriegums. Tādējādi keramiku var droši izmantot iekārtās, kas pakļautas pēkšņām un intensīvām temperatūras izmaiņām, piemēram, krāsns komponentiem vai turbīndzinēju detaļām, neriskējot ar to bojājumiem.

Ar cirkona oksīdu nostiprinātais alumīnija oksīds ir pazīstams ar savu izturību pret koroziju. Tādēļ to var izmantot iekārtās, kuras nonāk saskarē ar korozīvām šķidrumiem vai ķimikālijām, piemēram, kodināšanas skābēm un tīrīšanas līdzekļiem. Turklāt šī materiāla mehāniskā nodilumizturība padara to piemērotu medicīniskajiem implantiem vai ierīcēm, kas nonāk saskarē ar ķermeņa šķidrumiem vai ķimikālijām, piemēram, tīrīšanas šķīdumiem.

Pateicoties savai izturībai un korozijas izturībai, cirkona-alumīnija oksīda kompozītmateriāli (ZTA) tiek izmantoti daudzās nozarēs. Griešanas instrumentu ražotāji, izgatavojot griešanas instrumentus, bieži izvēlas ZTA materiālus, kas ir gan stipri, gan izturīgi; turklāt tie ir kļuvuši plaši izmantoti medicīniskās iekārtas ražošanā, piemēram, ortopēdiskajos implantos, tādās detaļās kā augšstilba galvas un gūžas dobuma ieliktņi.

ZTA materiāli, ko izmanto medicīnā, labi iztur slodzi, pateicoties to augstākajai lūzuma izturībai — tā ir līdz pat 20 reizēm lielāka nekā tīram alumīnija oksīdam —, kas palīdz samazināt trauslas lūzuma risku, kas varētu radīt nelabvēlīgas sekas pacientu veselībai.

Izturība pret koroziju

Ar cirkona oksīdu nostiprināts alumīnija oksīds ir cietais, trausls materiāls, kas paredzēts, lai izturētu augstas temperatūras un nelabvēlīgus apstākļus. Tas ir izturīgs pret koroziju un ķīmisko iedarbību, un tam ir daudzveidīgi pielietojumi tādās nozarēs kā kosmosa, ražošanas un automobiļu rūpniecība – turklāt tam piemīt izcila mehāniskā izturība, izturība pret termiskajiem triecieniem un zems nodiluma līmenis.

ZTA keramika atšķiras no tradicionālās keramikas ar to, ka tā sastāv gan no alumīnija oksīda, gan cirkona oksīda kompozītiem, kurus iegūst, sajaucot šos materiālus suspensijā pirms kausēšanas paaugstinātā temperatūrā. Sinterēšanas procesā alumīnija oksīda matricā veidojas smalki izkliedētas tetragonālās fāzes cirkona daļiņas; kad plaisas izplatās pa šo matricu, to enerģija izraisa fāžu pārvērtības, kas rada tilpuma izplešanos, kas efektīvi neitralizē jebkādas esošās spriedzes; tas izraisa novirzītu lūzumu veidošanos vairākās vietās matricā, izkliedējot lūzuma enerģiju un vienlaikus to pilnībā izkliedējot.

Šī materiāla sastāvu var pielāgot atbilstoši paredzētajam lietojumam, nepieciešamības gadījumā mainot alumīnija oksīda un cirkona oksīda proporcijas, lai tas atbilstu konkrētajām prasībām. Piemēram, sastāvā var pievienot vairāk cirkona oksīda, lai palielinātu stiepes izturību, savukārt lielāks alumīnija oksīda daudzums palielinātu izturību pret hidrotermisko novecošanos un koroziju.

ZTA-96 produktu līnija tika izstrādāta, lai piedāvātu rentablus risinājumus lietojumiem, kuros nepieciešama izturība pret nodilumu, koroziju un augstām temperatūrām. Šī keramika, kas pieejama dažādās formās un izmēros ar pielāgotām pielaidēm un apdari, spēj nodrošināt uzticamu darbību sarežģītos lietojumos.

Ar cirkoniju rūdītais alumīnija oksīds jau sen ir atzīts par savu izturību pret nodilumu un koroziju, kā arī par izcilo ķīmisko stabilitāti – abas šīs īpašības padara to īpaši piemērotu medicīniskām lietojumām, kur tas nonāk saskarē ar ķermeņa šķidrumiem vai ķīmiskām vielām. Turklāt cirkonijs tiek uzskatīts par pievilcīgu materiālu zobu un ķirurģiskajiem implantiem, pateicoties tā izcilajām bioloģiskās saderības īpašībām.

Vācu uzņēmuma „CeramTec“ (Plochingen) izstrādātais „Biolox Delta“ tika laists komerciālajā apritē 2000. gadā kā viens no pirmajiem komerciāli pieejamajiem ZTA materiāliem, kas paredzēts kā implantu aizstājējmateriāls augšstilba galvas un gūžas dobuma ieliktņiem. Tas sastāv no alumīnija oksīda matricas, kas ir pastiprināta ar cirkona oksīdu un stroncija aluminātu, kuri nodrošina plaisu galotņu noapaļošanas un izturības palielināšanas mehānismus, kā arī hroma oksīdu, lai novērstu koroziju zemās temperatūrās; saskaņā ar „CeramTec“ ziņojumiem, izmantojot šo restauratīvo keramiku, ir implantētas vairāk nekā 320 000 augšstilba galvas un 160 000 ieliktņi.

Izturība pret termisko šoku

Cirkonija graudi, apvienoti ar alumīnija oksīda matricu, veido materiālu ar izcilu izturību pret termisko šoku, tādējādi padarot to ideāli piemērotu lietošanai apstākļos, kuros valda ārkārtīgi augstas temperatūras. Turklāt alumīnija oksīda un cirkonija kompozītmateriāli parasti pārspēj tīro alumīnija oksīdu izturības ziņā pat ilgstošas smilšu strūklas iedarbības apstākļos.

ZTA nodrošina augstu lūzuma izturību, tādēļ tas ir ideāls materiāls lietojumiem, kuros nav vēlams izmantot trauslus materiālus. Tomēr, lai panāktu maksimālu izturību un izturību pret lūzumiem, alumīnija oksīda un cirkona oksīda kompozītiem jābūt pareizi saķepinātiem un sablīvētiem; pārāk zema temperatūra var izraisīt punktveida defektus un samazināt lieces izturību – tādēļ, lai nodrošinātu optimālu kausēšanu un daļiņu izmēru sadalījumu, jāizmanto 1550 °C.

Alumīnija oksīda un cirkona oksīda kompozītmateriāli nodrošina izcilu nodilumizturību griešanas instrumentos un citās abrazīvās detaļās, turklāt tiem piemīt zema berze, kas nodrošina papildu ķīmisko inertumu un zemākas izmaksas salīdzinājumā ar līdzīgiem materiāliem, ko izmanto ortopēdiskajos implantos. Šo īpašību kombinācija padara šos kompozītmateriālus ļoti pieprasītus medicīniskajos pielietojumos.

Alumīnija oksīda un cirkona oksīda kompozītu pakļaušana spriedzei izraisa metastabilā tetragonālā cirkona oksīda pārveidošanos par monoklīnisko cirkona oksīdu un cirkona oksīda kristālu tilpuma palielināšanos, tādējādi atspiežot plaisu galus un vienlaikus uzlabojot izturību – šo efektu sauc par spriedzes izraisītu pārveidošanās izturības palielināšanu.

Ar cirkona oksīdu nostiprinātais alumīnija oksīds ir pazīstams ar savu izturību un ilgmūžību, vienlaikus nodrošinot elektrisko izolāciju – tādēļ tas ir lielisks materiāla izvēles variants detaļām, kurām nepieciešama gan mehāniskā, gan elektriskā izolācija, piemēram, uzmavām.

Alumīnija oksīda un cirkona oksīda kompozītmateriāli, kas izgatavoti, izmantojot ar itrija oksīdu stabilizētu cirkona oksīdu (8YSZ), ir pierādījuši savu pārākumu salīdzinājumā ar materiāliem, kas izgatavoti no nestabilizēta alumīnija oksīda, turklāt to cena ir tikpat konkurētspējīga. Ideāli piemēroti tie ir lietojumiem, kur ir nepieciešama gan nodilumizturība, gan labas elektriskās izolācijas īpašības – šie materiāli spēj izturēt temperatūras līdz pat 1500 °C!