Herdet aluminiumoksid (ZTA)

Zirconia toughened alumina (ZTA) er en teknisk keramikk som kombinerer egenskapene til både alumina- og zirkoniakeramikk for å gi mekanisk styrke og motstand mot termisk sjokk, noe som gjør den egnet for ortopediske bruksområder som femurhoder og acetabularforinger, og industrielle bruksområder som ventiltetninger, gjennomføringer, pumpedeler, skjæreverktøy, motorkomponenter og ventiltetninger. Det kan brukes i ortopediske bruksområder som lårbenshoder og acetabularforinger, mens industrielle bruksområder omfatter ventiltetninger, gjennomføringer, pumpedeler, skjæreverktøy, skjæreverktøy eller motorkomponenter.

ZTA produseres ved hjelp av gelstøping av pulverisert aluminiumoksid og yttriumstabilisert zirkoniumoksidpulver. Denne prosessen omfatter klargjøring av slurry, støping, løsemiddeltørking med både osmotisk tørking og lufttørking, pyrolyse og sintring som siste trinn.

Tøffhet

Zirkoniaherdet aluminiumoksid er et ideelt materiale for bruksområder som krever både høy styrke og seighet. Det produseres gjennom spenningsindusert transformasjon av fine tetragonale zirkoniumoksidpartikler inn i en aluminiumoksidmatrise. Denne prosessen gir en jevn partikkelstørrelsesfordeling som gir overlegne mekaniske egenskaper som hardhet, bruddstyrke og seighet - i tillegg til at materialet er kjemisk motstandsdyktig og slitesterkt.

Zirkoniumoksidpartikler som er dispergert i en aluminiumoksidmatrise, er vanligvis forhindret fra å endre seg på grunn av kjemiske interaksjoner mellom seg selv og aluminiumoksidpartiklene, men kan aktiveres ved påkjenning slik at de gjennomgår transformasjon. Omdannede zirkoniumdioksidpartikler skaper trykkspenninger ved sprekkfronter som hindrer sprekkutbredelse, og omdannelsen resulterer i større seighet enn tradisjonell aluminiumoksid.

Claussen beskrev transformasjonsherding for første gang i 1976, og den kjennetegnes ved at partikler interagerer med sprekkfronter for å avbøye dem, samtidig som de skaper trykkspenninger i forkant av sprekkspissene, og dermed øker materialets bruddseighet (Claussen 1976). Denne effekten øker bruddseigheten.

ZTA kan produseres ved hjelp av varm isostatisk pressing og egner seg godt til hofteproteselager, og har vist seg å ha bedre overlevelsesevne enn keramiske femurhoder laget av yttria-stabilisert zirkonia (Y-TZP) (figur 7.10). I tillegg bidrar det høye innholdet av aluminiumoksid og den høyere tettheten til å motvirke aldringsfenomener som man ser i Y-TZP, og som fører til overdrevet t-m-transformasjon og mekanisk nedbrytning over tid (figur 7.11 og 7.12).

ZTA er et utmerket materialvalg for medisinske implantater som må være motstandsdyktige mot korrosjon og eksponering for kroppsvæsker, for eksempel de som brukes i operasjonssaler og turbinmotorer. Sammenlignet med tradisjonell aluminiumoksid har ZTA overlegen motstand mot kjemisk korrosjon, og tåler tøffe miljøer uten å brytes ned eller svikte. ZTA har dessuten eksepsjonell motstand mot termisk sjokk, noe som betyr at det tåler raske temperaturendringer, for eksempel i ovnskomponenter og turbinmotorkomponenter, uten å sprekke eller gå i stykker under trykk.

Holdbarhet

AZ-kompositter er ekstremt seige på grunn av de herdede zirkoniumoksidpartiklene som er dispergert i en aluminiumoksidmatrise. Når partiklene utsettes for påkjenninger, endrer de krystallstrukturen fra tetragonal til monoklin form, noe som fører til volumutvidelse og kompresjon som bidrar til å stoppe sprekkdannelser - denne egenskapen kalles transformasjonsherding og gjør ZTA fra HMA Wear Solutions ideell for bruksområder som krever høy styrke, seighet og hardhet.

Holdbarheten øker ytterligere når de utsettes for termisk sjokk. Zirkoniumoksidpartikler som er spredt i en aluminiumoksidmatrise, absorberer energi fra raske temperaturendringer og beskytter dem mot brudd og sprekkdannelser som følge av stress forårsaket av brå temperaturendringer. Dermed kan keramikk trygt brukes i utstyr som utsettes for plutselige og intense temperaturendringer, for eksempel ovnskomponenter eller turbinmotordeler, uten å risikere å svikte.

Herdet aluminiumoksid er kjent for sin korrosjonsbestandighet. Det kan derfor brukes i utstyr som kommer i kontakt med korrosive væsker eller kjemikalier som etsesyrer og rengjøringsmidler. Materialets mekaniske slitestyrke gjør det dessuten egnet for medisinske implantater eller utstyr som kommer i kontakt med kroppsvæsker eller kjemikalier som rengjøringsmidler.

På grunn av sin holdbarhet og korrosjonsbestandighet brukes zirkonia-aluminiumoksid-komposittmaterialer (ZTA) i en rekke bransjer. Produsenter av skjæreverktøy velger ofte ZTAs sterke, men tøffe materialer når de lager skjæreverktøy. I tillegg har det blitt mye brukt til produksjon av medisinsk utstyr, som ortopediske implantater som lårhoder og acetabularforinger.

ZTA-materialer som brukes i medisinske applikasjoner, står seg godt på grunn av sin høyere bruddseighet - opptil 20 ganger større enn for aluminiumoksid alene - noe som bidrar til å redusere risikoen for sprøbrudd som kan forårsake uønskede helseeffekter hos pasienter.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

Herdet aluminiumoksid er et hardt og sprøtt materiale som er utviklet for å tåle høye temperaturer og tøffe miljøer. Det motstår korrosjon og kjemiske angrep og har en rekke bruksområder i bransjer som romfart, produksjon og bilindustri - i tillegg til overlegen mekanisk styrke, motstand mot termisk sjokk og lav slitasje.

ZTA-keramikk skiller seg fra tradisjonell keramikk ved at den består av både aluminiumoksid- og zirkoniumoksidkompositter, som fremstilles ved å blande disse materialene i suspensjon før sintring ved høye temperaturer. Sintringen gir finfordelte tetragonale zirkoniumoksidpartikler i en aluminiumoksidmatrise. Når sprekker beveger seg gjennom matrisen, utløser energien fra sprekkene fasetransformasjoner som gir volumutvidelse som effektivt motvirker eventuelle spenninger. Dette fører til at avbøyde brudd oppstår på flere steder i matrisen, noe som sprer sprekkenergien samtidig som sprekkenergien forsvinner.

Sammensetningen av dette materialet kan skreddersys i henhold til bruksområdet, og forholdet mellom aluminiumoksid og zirkoniumoksid kan justeres etter behov for å passe til de unike kravene. For eksempel kan man tilsette mer zirkoniumoksid for å øke strekkfastheten, mens mer aluminiumoksid vil øke motstanden mot hydrotermisk aldring og korrosjon.

ZTA-96-produktserien er utviklet for å tilby kostnadseffektive løsninger for bruksområder som krever slitasje-, korrosjons- og høytemperaturstabilitet. Denne keramikken er tilgjengelig i et utvalg av former og størrelser med tilpassede toleranser og overflatebehandlinger, og gir pålitelig ytelse i krevende bruksområder.

Zirkoniumoksid har lenge vært anerkjent for sin motstand mot slitasje og korrosjon, samt sin utmerkede kjemiske stabilitet - begge egenskaper som gjør det godt egnet for medisinske bruksområder der kroppsvæsker eller kjemikalier kommer i kontakt med det. Zirkonia anses dessuten som en attraktiv kandidat for tannimplantater og kirurgiske implantater på grunn av sine overlegne biologiske kompatibilitetsegenskaper.

Biolox Delta fra CeramTec i Plochingen, Tyskland, ble lansert for kommersielt salg i 2000 som et av de første ZTA-materialene som var kommersielt tilgjengelig som implantaterstatningsmateriale for femurhoder og acetabularforinger. Biolox Delta består av en aluminiumoksidmatrise forsterket med zirkoniumoksid og strontiumaluminat, som gir mekanismer for avblødning og herding av sprekkspisser, samt kromoksid for å forhindre korrosjon ved lave temperaturer. Ifølge CeramTecs rapporter er det blitt implantert over 320 000 lårbenshoder og 160 000 innlegg med denne keramikken.

Motstand mot termisk sjokk

Zirkoniumoksidkorn kombinert med en aluminiumoksidmatrise gir et materiale med eksepsjonell motstand mot termisk sjokk, noe som gjør det perfekt for bruksområder som involverer ekstreme temperaturer. Alumina-zirkonia-kompositter har dessuten en tendens til å overgå ren alumina når det gjelder holdbarhet, selv under langvarig sandblåsing.

ZTA har høy bruddseighet, noe som gjør det til et ideelt materialvalg i bruksområder der man ikke ønsker sprø materialer. For å oppnå maksimal styrke og seighet må alumina-zirkoniumoksidkompositter imidlertid sintres og komprimeres på riktig måte. For lav temperatur kan føre til punktdefekter og redusert bøyestyrke - derfor bør 1550 grader C brukes for å sikre optimal sammensmelting og partikkelstørrelsesfordeling.

Alumina-zirkonia-kompositter gir utmerket slitestyrke i skjæreverktøy og andre slipende komponenter, og har lav friksjon, noe som gir økt kjemisk inertitet og lavere kostnader sammenlignet med lignende materialer som brukes til ortopediske implantater. Kombinasjonen av disse egenskapene gjør disse komposittene svært ettertraktede i medisinske applikasjoner.

Spenningsbelastning av aluminiumoksid-zirkoniumoksid-kompositter fører til at metastabil tetragonal zirkoniumoksid omdannes til monoklin zirkoniumoksid og forårsaker volumutvidelse av zirkoniumoksidkrystallene, noe som skyver tilbake sprekkspisser og forbedrer seigheten - denne effekten er kjent som spenningsindusert transformasjonsherding.

Zirkoniaherdet aluminiumoksid er kjent for å være sterkt og slitesterkt, samtidig som det er elektrisk isolerende - dette gjør det til et fantastisk materialvalg for komponenter som krever både mekanisk og elektrisk isolasjon, som for eksempel hylser.

Aluminiumoksid-zirkoniumoksid-kompositter laget med Yttria-stabilisert zirkoniumoksid (8YSZ) har vist seg å være bedre enn kompositter laget med ustabilisert aluminiumoksid, til en like konkurransedyktig pris. Ideelle bruksområder inkluderer applikasjoner der både slitestyrke og gode elektriske isolasjonsegenskaper er avgjørende - temperaturer på opptil 1500 grader Celsius er innenfor kapasiteten!