Twardzony tlenek cyrkonu (ZTA)

Tlenek glinu hartowany cyrkonem (ZTA) to ceramika inżynieryjna, która łączy w sobie właściwości zarówno tlenku glinu, jak i ceramiki cyrkonowej, zapewniając wytrzymałość mechaniczną i odporność na szok termiczny, dzięki czemu nadaje się do zastosowań ortopedycznych, takich jak głowy kości udowych i wkładki panewkowe, oraz przemysłowych, takich jak uszczelnienia zaworów, tuleje, części pomp, narzędzia tnące, elementy silnika i uszczelnienia zaworów. Można go znaleźć w zastosowaniach ortopedycznych, takich jak głowy kości udowych i wkładki panewkowe, podczas gdy zastosowania przemysłowe obejmują uszczelki zaworów tuleje uszczelki zaworów tuleje części pomp narzędzia tnące narzędzia tnące lub elementy silnika.

ZTA jest produkowany poprzez odlewanie żelowe przy użyciu sproszkowanego tlenku glinu i tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru. Proces ten obejmuje przygotowanie zawiesiny, formowanie, suszenie rozpuszczalnikiem z procesami suszenia osmotycznego i powietrznego, pirolizę i spiekanie jako etapy końcowe.

Wytrzymałość

Tlenek glinu hartowany cyrkonem jest idealnym materiałem do zastosowań wymagających zarówno wysokiej wytrzymałości, jak i ciągliwości, ponieważ powstaje w wyniku indukowanej naprężeniami transformacji drobnych tetragonalnych cząstek cyrkonu w matrycę z tlenku glinu. Proces ten zapewnia równomierny rozkład wielkości cząstek, który zapewnia doskonałe właściwości mechaniczne, takie jak twardość, odporność na pękanie i wytrzymałość, a także odporność chemiczną i odporność na zużycie.

Cząsteczki tlenku cyrkonu rozproszone w matrycy z tlenku glinu są generalnie zabezpieczone przed zmianą ze względu na interakcje chemiczne między nimi a cząsteczkami tlenku glinu, ale mogą być aktywowane po naprężeniu, aby przejść transformację. Przekształcone cząstki tlenku cyrkonu wytwarzają naprężenia ściskające na czole pęknięcia, które zapobiegają propagacji; ich transformacja skutkuje większą wytrzymałością niż tradycyjny tlenek glinu.

Claussen po raz pierwszy opisał hartowanie transformacyjne w 1976 roku i charakteryzuje się ono cząsteczkami oddziałującymi z frontami pęknięć w celu ich odchylenia, jednocześnie tworząc naprężenia ściskające przed końcami pęknięć, zwiększając w ten sposób odporność materiałów na pękanie (Claussen 1976). Efekt ten zwiększa odporność na pękanie.

ZTA może być wytwarzany przy użyciu prasowania izostatycznego na gorąco i dobrze nadaje się do materiałów na parę łożysk endoprotezy stawu biodrowego, wykazując lepszą przeżywalność w porównaniu z ceramicznymi głowami kości udowej wykonanymi z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (Y-TZP) (rysunek 7.10). Co więcej, duża zawartość tlenku glinu i wyższa gęstość pomagają złagodzić zjawiska starzenia obserwowane w Y-TZP, które powodują przesadną transformację t-m i degradację mechaniczną w czasie (rysunek 7.11 i 7.12).

ZTA jest doskonałym materiałem dla implantów medycznych, które muszą być odporne na korozję i działanie płynów ustrojowych, takich jak te stosowane w salach operacyjnych i silnikach turbin operacyjnych. W porównaniu z tradycyjnym tlenkiem glinu, ZTA oferuje doskonałą odporność na korozję chemiczną; może wytrzymać trudne warunki środowiskowe bez degradacji lub uszkodzenia. Co więcej, ZTA charakteryzuje się wyjątkową odpornością na szok termiczny, co oznacza, że może tolerować gwałtowne zmiany temperatury, takie jak elementy pieców i silników turbinowych, bez pękania lub pękania pod ciśnieniem.

Trwałość

Kompozyty AZ są niezwykle wytrzymałe dzięki hartowanym cząstkom tlenku cyrkonu rozproszonym w matrycy z tlenku glinu. Pod wpływem naprężeń cząstki zmieniają swoją strukturę krystaliczną z tetragonalnej na jednoskośną, powodując rozszerzanie i ściskanie objętości, co pomaga zatrzymać propagację pęknięć - ta właściwość znana jako hartowanie transformacyjne sprawia, że ZTA od HMA Wear Solutions jest idealny do zastosowań wymagających wysokiej wytrzymałości, ciągliwości i twardości.

Trwałość jest dodatkowo zwiększona w przypadku szoku termicznego. Cząsteczki cyrkonu rozproszone w matrycy z tlenku glinu pochłaniają energię pochodzącą z gwałtownych zmian temperatury, chroniąc je przed pęknięciami spowodowanymi naprężeniami wywołanymi nagłymi zmianami temperatury. W związku z tym ceramika może być bezpiecznie stosowana w urządzeniach narażonych na nagłe i intensywne zmiany temperatury, takich jak elementy pieców lub części silników turbinowych, bez ryzyka awarii.

Hartowany tlenek cyrkonu jest znany ze swojej odporności na korozję. W związku z tym może być stosowany w urządzeniach mających kontakt z żrącymi cieczami lub chemikaliami, takimi jak kwasy trawiące i środki czyszczące. Co więcej, odporność tego materiału na zużycie mechaniczne sprawia, że nadaje się on do implantów medycznych lub urządzeń, które mają kontakt z płynami ustrojowymi lub chemikaliami, takimi jak roztwory czyszczące.

Ze względu na swoją trwałość i odporność na korozję, materiały kompozytowe z tlenku cyrkonu i tlenku glinu (ZTA) są stosowane w wielu gałęziach przemysłu. Producenci narzędzi skrawających często wybierają mocne, ale wytrzymałe materiały ZTA podczas tworzenia narzędzi skrawających; dodatkowo stały się one szeroko stosowane w produkcji sprzętu medycznego, takiego jak implanty ortopedyczne, takie jak głowy kości udowych i wkładki panewkowe.

Materiały ZTA wykorzystywane w zastosowaniach medycznych wyróżniają się wyższą odpornością na pękanie - nawet 20-krotnie wyższą niż w przypadku samego tlenku glinu - co pomaga zmniejszyć ryzyko kruchych uszkodzeń, które mogą powodować niekorzystne skutki zdrowotne u pacjentów.

Odporność na korozję

Twardzony tlenek cyrkonu jest twardym, kruchym materiałem zaprojektowanym do pracy w wysokich temperaturach i trudnych warunkach. Jest odporny na korozję i ataki chemiczne i ma wiele zastosowań w branżach takich jak lotnictwo, produkcja i motoryzacja - a także doskonałą wytrzymałość mechaniczną, odporność na szok termiczny i niski współczynnik zużycia.

Ceramika ZTA różni się od tradycyjnej ceramiki tym, że składa się zarówno z kompozytów tlenku glinu, jak i tlenku cyrkonu, wytwarzanych przez zmieszanie tych materiałów w zawiesinie przed spiekaniem w podwyższonych temperaturach. Spiekanie wytwarza drobno rozproszone cząstki cyrkonu w fazie tetragonalnej w matrycy z tlenku glinu; gdy pęknięcia przesuwają się przez tę matrycę, ich energia wyzwala przemiany fazowe, które powodują rozszerzenie objętości, które skutecznie przeciwdziałają wszelkim obecnym naprężeniom; powoduje to pojawienie się ugiętych pęknięć w wielu miejscach, rozpraszając energię pęknięcia, a jednocześnie całkowicie rozpraszając energię pęknięcia.

Skład tego materiału może być dostosowany do jego zamierzonego zastosowania, przy czym stosunek tlenku glinu i cyrkonu jest dostosowywany w razie potrzeby, aby spełnić jego unikalne wymagania. Na przykład, więcej tlenku cyrkonu można dodać do jego składu, aby zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie, podczas gdy więcej tlenku glinu zwiększyłoby odporność na starzenie hydrotermiczne i korozję.

Linia produktów ZTA-96 została opracowana w celu zaoferowania opłacalnych rozwiązań dla zastosowań wymagających odporności na zużycie, korozję i wysoką temperaturę. Dostępna w różnych kształtach i rozmiarach, z niestandardowymi tolerancjami i wykończeniami, ceramika ta może zapewnić niezawodne działanie w trudnych zastosowaniach.

Twardzony tlenek cyrkonu jest od dawna znany ze swojej odporności na zużycie i korozję, a także doskonałej stabilności chemicznej - obie cechy sprawiają, że dobrze nadaje się do zastosowań medycznych, w których płyny ustrojowe lub chemikalia wchodzą w kontakt z nim. Co więcej, tlenek cyrkonu jest uważany za atrakcyjnego kandydata na implanty dentystyczne i chirurgiczne ze względu na jego doskonałą kompatybilność biologiczną.

Biolox Delta firmy CeramTec z Plochingen w Niemczech został wprowadzony do sprzedaży komercyjnej jako jeden z pierwszych materiałów ZTA dostępnych komercyjnie w 2000 roku jako materiał zastępujący implanty dla głów kości udowych i panewek. Składa się z matrycy z tlenku glinu wzmocnionej tlenkiem cyrkonu i glinianem strontu, które zapewniają mechanizmy tępienia pęknięć i mechanizmy hartowania; wraz z tlenkiem chromu, aby zapobiec korozji w niskich temperaturach; ponad 320 000 głów kości udowych i 160 000 wkładów zostało wszczepionych przy użyciu tej ceramiki uzupełniającej, zgodnie z raportami CeramTec.

Odporność na szok termiczny

Ziarna tlenku cyrkonu w połączeniu z matrycą z tlenku glinu tworzą materiał o wyjątkowej odporności na szok termiczny, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań wymagających ekstremalnych temperatur. Co więcej, kompozyty tlenku glinu i cyrkonu mają tendencję do przewyższania czystego tlenku glinu pod względem trwałości nawet przy długotrwałym narażeniu na piaskowanie.

ZTA oferuje wysoką odporność na pękanie, co czyni go idealnym materiałem w zastosowaniach, w których kruche materiały nie są pożądane. Aby jednak uzyskać maksymalną wytrzymałość i odporność, kompozyty tlenku glinu i tlenku cyrkonu muszą być odpowiednio spiekane i zagęszczane; zbyt niska temperatura może spowodować defekty punktowe i zmniejszoną wytrzymałość na zginanie - dlatego należy stosować 1550 stopni Celsjusza, aby zapewnić optymalne stopienie i rozkład wielkości cząstek.

Kompozyty tlenku glinu i tlenku cyrkonu zapewniają doskonałą odporność na zużycie w narzędziach skrawających i innych elementach ściernych, a także charakteryzują się niskim tarciem, oferując dodatkową obojętność chemiczną i niższy koszt w porównaniu z podobnymi materiałami stosowanymi w implantach ortopedycznych. Połączenie tych właściwości sprawia, że kompozyty te są wysoce pożądane w zastosowaniach medycznych.

Naprężenie kompozytów glinowo-tlenkowo-cyrkonowych powoduje, że metastabilny tetragonalny tlenek cyrkonu ulega transformacji do jednoskośnego tlenku cyrkonu i powoduje rozszerzenie objętości kryształów tlenku cyrkonu, odsuwając wierzchołki pęknięć, jednocześnie poprawiając wytrzymałość - efekt ten znany jest jako hartowanie transformacyjne wywołane naprężeniem.

Tlenek glinu hartowany cyrkonem jest znany z tego, że jest mocny i trwały, a jednocześnie izoluje elektrycznie - to sprawia, że jest fantastycznym wyborem materiału dla komponentów wymagających zarówno izolacji mechanicznej, jak i elektrycznej, takich jak tuleje.

Kompozyty glinowo-tlenkowo-cyrkonowe wykonane przy użyciu tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (8YSZ) okazały się lepsze od tych wytwarzanych przy użyciu niestabilizowanego tlenku glinu, przy równie konkurencyjnym poziomie kosztów. Idealne zastosowania obejmują aplikacje, w których niezbędna jest zarówno odporność na ścieranie, jak i dobre właściwości izolacji elektrycznej - temperatury do 1500 stopni C są w zasięgu jego możliwości!