Gehard zirkoniumoxide (ZTA)

Zirconia gehard aluminiumoxide (ZTA) is een keramisch product dat de eigenschappen van zowel aluminiumoxide als zirconia combineert om mechanische sterkte en weerstand tegen thermische schokken te bieden, waardoor het geschikt is voor orthopedische toepassingen zoals femurkoppen en acetabulumvoeringen, en industriële toepassingen zoals klepafdichtingen, bussen, pomponderdelen, snijgereedschappen, motoronderdelen en klepafdichtingen. Het kan worden gevonden in orthopedische toepassingen zoals femurkoppen en acetabulumvoeringen, terwijl industriële toepassingen klepafdichtingen bussen klepafdichtingen bussen pomponderdelen snijgereedschappen of motoronderdelen omvatten.

ZTA wordt geproduceerd door gelcasting met behulp van poedervormig aluminiumoxide en yttriumgestabiliseerde zirkoonoxidepoeders. Dit proces omvat het bereiden van slurry, gieten, drogen met oplosmiddelen met zowel osmotische als luchtdroogprocessen, pyrolyse en sinteren als laatste stappen.

Taaiheid

Gehard zirkoniumoxide is een ideaal materiaal voor toepassingen die zowel een hoge sterkte als taaiheid vereisen. Het wordt geproduceerd door spanningsgeïnduceerde transformatie van fijne tetragonale zirkoniumoxide deeltjes in een matrix van aluminiumoxide. Dit proces produceert een uniforme verdeling van de deeltjesgrootte, wat superieure mechanische eigenschappen oplevert zoals hardheid, breuktaaiheid en taaiheid - naast chemische weerstand en slijtvastheid.

Zirkoniumdioxide deeltjes gedispergeerd in een aluminiumoxide matrix kunnen over het algemeen niet veranderen door chemische interacties tussen henzelf en aluminiumoxide deeltjes, maar kunnen onder spanning worden geactiveerd om te transformeren. Getransformeerde zirkoondeeltjes creëren drukspanningen bij scheurfronten die voortplanting voorkomen; hun transformatie resulteert in een grotere taaiheid dan traditioneel aluminiumoxide.

Claussen beschreef transformatieharding voor het eerst in 1976 en het wordt gekenmerkt door interactie van deeltjes met scheurfronten om deze af te buigen en tegelijkertijd drukspanningen te creëren vóór de scheurtips, waardoor de breuktaaiheid van materialen toeneemt (Claussen 1976). Dit effect verhoogt de breuktaaiheid.

ZTA kan worden geproduceerd met behulp van heet isostatisch persen en is zeer geschikt als koppelmateriaal voor heupvervangingslagers, omdat het een superieure overlevingskans heeft in vergelijking met keramische femurkoppen van yttriumgestabiliseerd zirkonia (Y-TZP) (afbeelding 7.10). Bovendien helpen het hoge aluminiumoxidegehalte en de hogere dichtheid tegen verouderingsverschijnselen die in Y-TZP voorkomen en die na verloop van tijd een overdreven t-m transformatie en mechanische degradatie veroorzaken (afbeelding 7.11 en 7.12).

ZTA is een uitstekende materiaalkeuze voor medische implantaten die bestand moeten zijn tegen corrosie en blootstelling aan lichaamsvloeistoffen, zoals implantaten die gebruikt worden in operatiekamers en turbinemotoren. In vergelijking met traditioneel aluminiumoxide biedt ZTA een superieure weerstand tegen chemische corrosie; het is bestand tegen ruwe omgevingen zonder af te breken of defect te raken. Bovendien heeft ZTA een uitzonderlijke weerstand tegen thermische schokken, wat betekent dat het snelle temperatuurveranderingen kan verdragen, zoals onderdelen van ovens en turbinemotoren, zonder te barsten of te breken onder druk.

Duurzaamheid

AZ-composieten zijn extreem taai door de geharde zirkoniumdioxide deeltjes gedispergeerd in een aluminiumoxide matrix. Bij blootstelling aan spanning veranderen de deeltjes hun kristalstructuur van tetragonaal naar monoklien, waardoor volume-uitzetting en -compressie ontstaan die de scheurgroei afremmen - deze eigenschap, die bekend staat als transformatieharding, maakt ZTA van HMA Wear Solutions ideaal voor toepassingen die een hoge sterkte, taaiheid en hardheid vereisen.

De duurzaamheid wordt verder verhoogd bij blootstelling aan thermische schokken. Zirkoniumdeeltjes verspreid over een matrix van aluminiumoxide absorberen de energie van snelle temperatuurveranderingen en beschermen ze tegen breuk en barsten als gevolg van spanning veroorzaakt door abrupte temperatuurveranderingen. Keramiek kan dus veilig worden gebruikt in apparatuur die wordt blootgesteld aan plotselinge en intense temperatuurveranderingen, zoals ovenonderdelen of onderdelen van turbinemotoren, zonder het risico te lopen kapot te gaan.

Gehard zirkoniumoxide staat bekend om zijn weerstand tegen corrosie. Daarom kan het worden gebruikt in apparatuur die in contact komt met corrosieve vloeistoffen of chemicaliën zoals etszuren en reinigingsmiddelen. Bovendien maakt de mechanische slijtvastheid van dit materiaal het geschikt voor medische implantaten of apparaten die in contact komen met lichaamsvloeistoffen of chemicaliën zoals schoonmaakmiddelen.

Vanwege de duurzaamheid en corrosiebestendigheid worden zirkonium-aluminiumoxide composietmaterialen (ZTA) in tal van industrieën gebruikt. Fabrikanten van snijgereedschap kiezen vaak voor de sterke maar taaie materialen van ZTA bij het maken van snijgereedschap; daarnaast wordt het op grote schaal gebruikt voor de productie van medische apparatuur zoals orthopedische implantaten zoals femurkoppen en acetabulumvoeringen.

ZTA-materialen die in medische toepassingen worden gebruikt, houden stand dankzij hun hogere breuktaaiheid - tot 20 keer hoger dan die van aluminiumoxide alleen - waardoor het risico op brosse breuken die nadelige gezondheidseffecten bij patiënten kunnen veroorzaken, kleiner wordt.

Corrosiebestendigheid

Gehard zirkoniumoxide is een hard, bros materiaal dat bestand is tegen hoge temperaturen en ruwe omgevingen. Het is bestand tegen corrosie en chemische aantasting en heeft talrijke toepassingen in industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, fabricage en automobiel - en superieure mechanische sterkte, weerstand tegen thermische schokken en lage slijtage.

ZTA-keramiek verschilt van traditionele keramiek doordat het bestaat uit zowel aluminiumoxide als zirkoniacomposieten, geproduceerd door deze materialen in suspensie te mengen voordat ze bij hoge temperaturen worden gesinterd. Door sinteren ontstaan fijn verdeelde tetragonale fase zirkonia deeltjes in een aluminiumoxide matrix; wanneer scheuren door deze matrix voortschrijden, veroorzaakt hun energie fasetransformaties die volumevergroting veroorzaken die effectief alle aanwezige spanningen tegengaan; dit veroorzaakt afgebogen breuken die op meerdere plaatsen in de matrix ontstaan, waardoor de breukenergie wordt verspreid terwijl de breukenergie toch volledig wordt afgevoerd.

De samenstelling van dit materiaal kan worden aangepast aan de beoogde toepassing, waarbij de verhouding tussen aluminiumoxide en zirkonia waar nodig kan worden aangepast aan de unieke vereisten. Er kan bijvoorbeeld meer zirkonia worden toegevoegd aan de formulering om de treksterkte te verhogen, terwijl meer aluminiumoxide de weerstand tegen hydrothermische veroudering en corrosie zou verhogen.

De ZTA-96 productlijn is ontwikkeld om kosteneffectieve oplossingen te bieden voor toepassingen die slijtage, corrosie en stabiliteit bij hoge temperaturen vereisen. Deze keramiek is verkrijgbaar in een assortiment van vormen en maten met aangepaste toleranties en afwerkingen en kan betrouwbare prestaties leveren in zware toepassingen.

Gehard zirkoniumoxide staat al lang bekend om zijn weerstand tegen slijtage en corrosie en zijn uitstekende chemische stabiliteit - beide eigenschappen maken het zeer geschikt voor medische toepassingen waarbij lichaamsvloeistoffen of chemicaliën ermee in contact komen. Bovendien wordt zirkonia beschouwd als een aantrekkelijke kandidaat voor tandheelkundige en chirurgische implantaten vanwege de superieure biologische compatibiliteitseigenschappen.

Biolox Delta van CeramTec uit Plochingen, Duitsland werd in 2000 op de markt gebracht als een van de eerste ZTA-materialen als implantaatvervangingsmateriaal voor femurkoppen en acetabulumvoeringen. Bestaande uit een matrix van aluminiumoxide versterkt met zirkonia en strontiumaluminaat die scheurtipafbuigingsmechanismen en taaiheidsmechanismen bieden, samen met chroomoxide om corrosie bij lage temperaturen te voorkomen; volgens CeramTec zijn er meer dan 320.000 femurkoppen en 160.000 implantaten geïmplanteerd met dit restauratiekeramiek.

Weerstand tegen thermische schokken

Zirkoniumkorrels gecombineerd met een matrix van aluminiumoxide leveren een materiaal op met een uitzonderlijke weerstand tegen thermische schokken, waardoor het perfect is voor toepassingen met extreme temperaturen. Bovendien presteren aluminiumoxide-zirkoniumoxide composieten beter op het gebied van duurzaamheid dan zuiver aluminiumoxide, zelfs bij langdurige blootstelling aan zandstralen.

ZTA biedt een hoge breuktaaiheid, waardoor het een ideale materiaalkeuze is in toepassingen waar brosse materialen niet gewenst zijn. Voor maximale sterkte en taaiheid moeten Alumina-Zirconia composieten echter goed gesinterd en verdicht worden; een te lage temperatuur kan leiden tot puntdefecten en verminderde buigsterkte - vandaar dat 1550 graden Celsius gebruikt moet worden voor een optimale versmelting en verdeling van de deeltjesgrootte.

Alumina-zirkoniumoxide composieten bieden een uitstekende slijtvastheid in snijgereedschappen en andere abrasieve componenten, en hebben een lage wrijving om chemische inertie en lagere kosten te bieden in vergelijking met vergelijkbare materialen die gebruikt worden voor orthopedische implantaten. Hun combinatie van eigenschappen maakt deze composieten zeer gewenst in medische toepassingen.

Het belasten van aluminium-zirkonia composieten zorgt ervoor dat metastabiel tetragonaal zirkonia transformeert naar monoklien zirkonia en veroorzaakt volume-uitzetting van zirkonia kristallen, waardoor scheurtips worden teruggedrongen terwijl de taaiheid wordt verbeterd - dit effect staat bekend als spanningsgeïnduceerde transformatieharding.

Gehard zirkoniumoxide staat erom bekend sterk en duurzaam te zijn en tegelijkertijd elektrisch isolerend - dit maakt het een fantastische materiaalkeuze voor onderdelen die zowel mechanische als elektrische isolatie vereisen, zoals hulzen.

Alumina-zirkoniasamenstellingen gemaakt met Yttria Gestabiliseerd Zirkoniumoxide (8YSZ) hebben bewezen superieur te zijn aan die gemaakt met ongestabiliseerd aluminiumoxide, tegen een even concurrerende prijs. Ideale toepassingen zijn onder andere toepassingen waarbij zowel slijtvastheid als goede elektrische isolatie-eigenschappen essentieel zijn - temperaturen tot 1500 degC liggen binnen de mogelijkheden!