Zirkoniumoksidherdet aluminiumoksid (ZTA) – en revolusjon innen styrke og holdbarhet

Komposittkeramikk med aluminiumoksidmatrise forsterket med zirkoniumoksid gir optimale egenskaper når det gjelder hardhet, bruddseighet og bøyestyrke. Denne typen zirkoniumoksidkeramikk er generelt mindre utsatt for nedbrytning ved lave temperaturer og spenningsindusert forringelse, og har dessuten sterke mekaniske egenskaper.

Styrke

Zirkoniumoksidforsterket aluminiumoksid består av en aluminiumoksidmatrise tilsatt yttriumoksid og kromoksid for å beskytte zirkoniumoksidet mot hydrotermisk nedbrytning ved å binde fuktighetsmolekyler på overflatene og dermed hindre at disse diffunderer inn i zirkoniumoksidfasen. Videre er det kjent at disse tilsetningsstoffene reduserer kinetikken i faseovergangen (Pezzotti et al., 2010a).

ZTA-keramikk har høy mekanisk styrke takket være transformasjonsherding. Når de utsettes for belastning, endrer zirkoniumoksidpartiklene sin krystallstruktur fra metastabil tetragonal til monoklin, noe som fører til volumutvidelse. Denne utvidelsen komprimerer den omkringliggende aluminiumoksidmatrisen, noe som forhindrer sprekkutbredelse og øker bruddseigheten.

Tilsetning av yttriumoksid og krom til aluminiumoksidmatrisen kan øke dens motstand mot kjemisk angrep fra vann eller kroppsvæsker, noe som er særlig relevant i medisinske anvendelser der det kan oppstå spenningsassistert korrosjon av aluminiumoksid ved kontakt med vann eller kroppsvæsker. Denne egenskapen gjør materialet enda mer egnet for beskyttelse mot spenningsassistert korrosjon i medisinske miljøer der kontakt med vann eller kroppsvæsker kan føre til spenningsassistert korrosjon av aluminiumoksidunderlag.

Biolox Delta fra CeramTec er et eksempel på et ZTA-keramisk materiale og har blitt implantert i over 320 000 lårbenshoder og 160 000 hofteskålforinger for å gi styrke, seighet, bruddseighet og slitestyrke som overgår egenskapene til rent aluminiumoksid – noe ingen andre keramiske biomaterialer som for tiden brukes i ortopediske anvendelser kan måle seg med.

Tøffhet

Zirkonias kombinasjon av seighet og styrke gjør det til et utmerket skjæremateriale, spesielt for skjæring av høyytelsesmaterialer som kubisk bornitrid (CBN). Den overlegne slitestyrken gjør at den tåler høye hastigheter med mindre varmeutvikling og vibrasjon enn verktøy av wolframkarbid, samtidig som den er kjemisk inert, har lav friksjon og kan skilte med god varmhardhet og bruddstyrke sammenlignet med metaller. Videre har ZTA relativt lav termisk utvidelse, noe som gjør det egnet for bearbeidingsmiljøer med fuktighet, for eksempel CBN eller overflater av metaller som kan bearbeides.

Garvie m.fl. (1975) fant at finfordelte, tetragonale, metastabile utfellinger kunne omdannes til en monoklin fase gjennom kjemiske behandlinger, noe som ga forbedrede mekaniske egenskaper som bøyestyrke og seighet. I kommersielle anvendelser brukes stabilisatorer for å styre denne transformasjonsprosessen og øke seigheten – for eksempel har CeramTec kommersialisert Biolox Delta ZTA med yttriumoksid som stabilisator samt tilsetningsstoffer som inneholder krom og strontium for å styrke seighetsmekanismene i aluminiumoksidmatrisen.

Partikkelstørrelsen på zirkoniumoksid spiller en avgjørende rolle i herding, da mindre partikler gir bedre spredning og dannelse av mikrosprekker. Videre gjør endring av forholdet mellom zirkoniumoksid og aluminiumoksid det mulig for designere å skreddersy keramiske egenskaper spesielt til individuelle bruksområder – stenger og rør til medisinske implantater, isolasjonshylser til flykomponenter for høye høyder eller bilkomponenter kan alle dra nytte av spesialtilpassede deler laget spesielt av zirkoniumoksidkeramikk.

Stivhet

Zirkoniumoksidkeramikk er harde, slitesterke og termisk stabile materialer som har en enestående motstand mot friksjon, noe som gjør dem egnet til skjæreverktøy. Deres egenskaper – kombinert med høy elastisitet og bruddseighet – gjør også ZTA til et utmerket materiale. Når ZTA oppvarmes til normale temperaturer, gir det bedre ytelse enn rent aluminiumoksid ved å tilby høyere bøyestyrke og bruddseighet; dets mekaniske egenskaper kan til og med skreddersys etter spesifikke bruksbehov, avhengig av forholdet mellom zirkoniumoksid og aluminiumoksid i sammensetningen.

Zirkoniumoksidforsterket aluminiumoksid (ZTA) fremstår som et attraktivt alternativ til monolitisk zirkoniumoksid takket være sine innkapslende egenskaper. Mens monolitisk zirkoniumoksid er utsatt for kjemisk adsorpsjon av vannmolekyler og nedbrytning ved lave temperaturer, utgjør ZTA en beskyttende matrise som innkapsler lokale omdannelser i seg selv og dermed begrenser spredningen av omdannelsene.

ZTA-materialets innkapslingsmekanisme forhindrer ikke bare nedbrytning ved lave temperaturer, men gjør også materialet mindre utsatt for spenningsassistert korrosjon i vann eller kroppsvæsker. Dette skyldes at den lokaliserte omdannelsen fra tetragonale til monokliniske zirkoniumoksidkorn skjer inne i hvert enkelt zirkoniumoksidkorn, i stedet for å spre seg gjennom hele kornet. Videre er det mindre sannsynlig at ZTA utvikler sprekkutbredelse under utmattingsbelastninger på grunn av dets evne til å motstå deformasjon ved høye temperaturer.

Holdbarhet

Zirkoniumoksidforsterket aluminiumoksid (ZTA) er resultatet av å kombinere styrken og holdbarheten til zirkoniumoksid med slitestyrken til aluminiumoksid, noe som gir et avansert teknisk materiale som overgår begge materialene hver for seg. ZTA er en komposittkeramikk basert på zirkoniumoksid og er mye mer holdbar enn de enkelte bestanddelene hver for seg; den har økt korrosjonsbestandighet og tåler høyere temperaturer enn standard aluminiumoksid.

En avgjørende faktor for ZTA-materialets holdbarhet ligger i dets evne til å opprettholde sin metastabile tetragonale fase selv ved høyere temperaturer, takket være innblandingen av aluminiumoksid som stabiliseringsmiddel i matrisen. Aluminiumoksid har også en mye høyere elastisitetsmodul enn monolitisk zirkoniumoksid, noe som bidrar til å absorbere kjemisk og mekanisk energi som ellers ville forårsake omdannelse til monokliniske faser og ytterligere nedbrytning av zirkoniumoksidforsterket aluminiumoksid. Statiske og sykliske tester på både aluminiumoksid og monolitisk zirkoniumoksid har vist at ZTA gir betydelig bedre seighet og terskelspenning for sprekkutbredelse enn monolitisk zirkoniumoksid. Kombinasjonen av høy styrke og seighet hos zirkoniumoksid og aluminiumoksid gir overlegen slitestyrke for bærende anvendelser, noe som gjør det perfekt for bruk i ortopediske komponenter som hofteproteser, eller i industrielle skjæreverktøy, slitesterke tetninger eller gruvedrift.