Zirconiu de alumină întărită (ZTA)

Alumina întărită cu zirconiu (ZTA) este o ceramică de inginerie care combină proprietățile ceramicii de alumină și zirconiu pentru a oferi rezistență mecanică și rezistență la șocuri termice, ceea ce o face potrivită pentru aplicații ortopedice, cum ar fi capetele femurale și căptușelile acetabulare, și pentru aplicații industriale, cum ar fi garniturile de supape, bucșele, piesele de pompe, uneltele de tăiere, componentele motoarelor și garniturile de supape. Acesta poate fi găsit în aplicații ortopedice precum capete femurale și căptușeli acetabulare, în timp ce aplicațiile industriale includ garnituri de supape bucșe garnituri de supape bucșe piese de pompe unelte de tăiere unelte de tăiere sau componente de motor.

ZTA este produsă prin gelcasting folosind pulberi de alumină și pulberi de zirconiu stabilizat cu oxid de ytriu. Acest proces include prepararea suspensiei, turnarea, uscarea cu solvent, cu procese de uscare osmotică și cu aer, piroliza și sinterizarea ca etape finale.

Rezistență

Alumina întărită cu zirconiu este un material ideal pentru aplicații care necesită rezistență și tenacitate ridicate, fiind produsă prin transformarea indusă de stres a particulelor fine de zirconiu tetragonal într-o matrice de alumină. Acest proces produce o distribuție uniformă a dimensiunii particulelor, ceea ce generează proprietăți mecanice superioare, cum ar fi duritatea, rezistența la fractură și tenacitatea - în plus față de rezistența chimică și la uzură.

Particulele de zirconiu dispersate într-o matrice de alumină sunt, în general, împiedicate să se transforme din cauza interacțiunilor chimice dintre ele și particulele de alumină, dar pot fi activate la solicitare pentru a suferi o transformare. Particulele de zirconiu transformate creează tensiuni de compresiune la nivelul fronturilor de fisură care împiedică propagarea; transformarea lor determină o rezistență mai mare decât cea a aluminei tradiționale.

Claussen a descris pentru prima dată întărirea prin transformare în 1976 și se caracterizează prin interacțiunea particulelor cu fronturile de fisură pentru a le devia, creând simultan tensiuni de compresiune înaintea vârfurilor fisurilor, crescând astfel rezistența la fractură a materialelor (Claussen 1976). Acest efect crește tenacitatea la fractură.

ZTA poate fi produsă prin presare izostatică la cald și este bine adaptată materialelor pentru cuplurile de rulmenți de înlocuire a șoldului, demonstrând o supraviețuire superioară în comparație cu capetele femurale ceramice realizate din zirconiu stabilizat cu oxid de ytriu (Y-TZP) (figura 7.10). În plus, conținutul său mare de alumină și densitatea sa mai mare contribuie la atenuarea fenomenelor de îmbătrânire observate la Y-TZP, care determină o transformare t-m exagerată și o degradare mecanică în timp (figura 7.11 și 7.12).

ZTA este o alegere excelentă de material pentru implanturile medicale care trebuie să fie rezistente la coroziune și la expunerea la fluide corporale, cum ar fi cele utilizate în sălile de operație și în motoarele turbinelor. În comparație cu alumina tradițională, ZTA oferă o rezistență superioară la coroziunea chimică; poate rezista în medii dificile fără să se degradeze sau să cedeze. În plus, ZTA se mândrește cu o rezistență excepțională la șocurile termice, ceea ce înseamnă că poate tolera schimbările rapide de temperatură, cum ar fi componentele cuptoarelor și componentele motoarelor cu turbină, fără a se fisura sau rupe sub presiune.

Durabilitate

Compozitele AZ sunt extrem de rezistente datorită particulelor de zirconiu întărite dispersate într-o matrice de alumină. Atunci când sunt expuse la stres, particulele își modifică structurile cristaline de la forma tetragonală la monoclinică, cauzând expansiunea volumului și compresia care ajută la stoparea propagării fisurilor - această proprietate cunoscută sub numele de întărire prin transformare face ca ZTA de la HMA Wear Solutions să fie ideal pentru aplicații care necesită niveluri ridicate de rezistență, tenacitate și duritate.

Durabilitatea crește și mai mult atunci când sunt supuse unui șoc termic. Particulele de zirconiu dispersate într-o matrice de alumină absorb energia provenită de la schimbările rapide de temperatură, protejându-le de fracturi și crăpături datorate stresului cauzat de schimbările bruște de temperatură. Ca atare, ceramica poate fi utilizată în siguranță în echipamente expuse la schimbări bruște și intense de temperatură, cum ar fi componentele cuptoarelor sau piesele motoarelor cu turbină, fără a risca defectarea.

Alumina întărită cu zirconiu este cunoscută pentru rezistența sa la coroziune. Ca atare, acesta poate fi utilizat în echipamente care vor intra în contact cu lichide corozive sau substanțe chimice, cum ar fi acizii de gravare și agenții de curățare. În plus, rezistența la uzură mecanică a acestui material îl face potrivit pentru implanturi medicale sau dispozitive care vin în contact cu fluide corporale sau substanțe chimice, cum ar fi soluțiile de curățare.

Datorită durabilității și rezistenței la coroziune, materialele compozite zirconiu-alumină (ZTA) sunt utilizate în numeroase industrii. Producătorii de unelte de tăiere optează frecvent pentru materialele ZTA puternice, dar rezistente, atunci când creează unelte de tăiere; în plus, acesta a devenit utilizat pe scară largă pentru producția de echipamente medicale, cum ar fi dispozitivele de implant ortopedic, cum ar fi capetele femurale și garniturile acetabulare.

Materialele ZTA utilizate în aplicațiile medicale rezistă bine datorită rezistenței mai mari la fractură - de până la 20 de ori mai mare decât cea a aluminei - ceea ce contribuie la reducerea riscului de defectare fragilă care ar putea provoca efecte adverse asupra sănătății pacienților.

Rezistența la coroziune

Alumina întărită cu zirconiu este un material dur, fragil, conceput pentru a rezista la temperaturi ridicate și medii dure. Rezistă la coroziune și atac chimic și are numeroase aplicații în industrii precum industria aerospațială, industria prelucrătoare și industria auto - precum și rezistență mecanică superioară, rezistență la șocuri termice și rate scăzute de uzură.

Ceramica ZTA se deosebește de ceramica tradițională prin faptul că este alcătuită din compozite de alumină și zirconiu, produse prin amestecarea acestor materiale în suspensie înainte de sinterizare la temperaturi ridicate. Sinterizarea produce particule de zirconiu în fază tetragonală fin dispersate într-o matrice de alumină; atunci când fisurile avansează prin această matrice, energia lor declanșează transformări de fază care produc o expansiune a volumului care contracarează în mod eficient orice tensiuni prezente; acest lucru face ca fracturile deviate să apară în mai multe locații din cadrul acesteia, dispersând energia de fractură și disipând în același timp energia de fractură.

Compoziția acestui material poate fi adaptată în funcție de aplicația dorită, raportul dintre alumină și zirconiu putând fi ajustat în funcție de necesități, pentru a corespunde cerințelor sale unice. De exemplu, se poate adăuga mai mult zirconiu în formula sa pentru a crește rezistența la tracțiune, în timp ce mai multă alumină ar crește rezistența la îmbătrânirea hidrotermală și la coroziune.

Linia de produse ZTA-96 a fost dezvoltată pentru a oferi soluții rentabile pentru aplicații care necesită uzură, coroziune și stabilitate la temperaturi ridicate. Disponibilă într-o gamă variată de forme și dimensiuni, cu toleranțe și finisaje personalizate, această ceramică poate oferi performanțe fiabile în aplicații dificile.

Alumina întărită de zirconiu este recunoscută de mult timp pentru rezistența sa la uzură și coroziune, precum și pentru stabilitatea sa chimică excelentă - ambele caracteristici făcând-o potrivită pentru aplicații medicale în care fluidele corporale sau substanțele chimice intră în contact cu ea. În plus, zirconia este considerată un candidat atractiv pentru implanturile dentare și chirurgicale datorită proprietăților sale superioare de compatibilitate biologică.

Biolox Delta de la CeramTec din Plochingen, Germania, a fost lansat pentru vânzare comercială ca unul dintre primele materiale ZTA disponibile pe piață în 2000 ca material de înlocuire a implanturilor pentru capete femurale și garnituri acetabulare. Compus dintr-o matrice de alumină întărită cu zirconiu și aluminat de stronțiu, care asigură mecanisme de atenuare a vârfurilor fisurilor și mecanisme de întărire; împreună cu oxid de crom pentru a preveni coroziunea la temperaturi scăzute; conform rapoartelor CeramTec, peste 320 000 de capete femurale și 160 000 de inserții au fost implantate folosind această ceramică de restaurare.

Rezistența la șocuri termice

Granulele de zirconiu combinate cu o matrice de alumină produc un material cu o rezistență excepțională la șocurile termice, ceea ce îl face perfect pentru aplicații care implică temperaturi extreme. În plus, compozitele alumină-zirconiu tind să depășească performanțele aluminei pure în ceea ce privește durabilitatea, chiar și în cazul expunerii prelungite la sablare.

ZTA oferă o rezistență ridicată la fractură, ceea ce îl face alegerea ideală în aplicații în care nu se doresc materiale fragile. Cu toate acestea, pentru rezistență și tenacitate maxime, compozitele Aluminiu-Zirconiu trebuie să fie sinterizate și compactate în mod corespunzător; o temperatură prea scăzută ar putea duce la defecte punctiforme și la o rezistență redusă la flexiune - de aceea ar trebui să se utilizeze 1550 de grade C pentru a asigura o fuziune optimă și distribuția dimensiunii particulelor.

Compozitele alumină-zirconiu oferă o rezistență excelentă la uzură în uneltele de tăiere și în alte componente abrazive și au o frecare redusă pentru a oferi inerție chimică suplimentară și un cost mai scăzut în comparație cu materialele similare utilizate pentru implanturile ortopedice. Combinația lor de proprietăți face ca aceste compozite să fie foarte căutate în aplicațiile medicale.

Solicitarea compozitelor alumină-zirconiu determină transformarea zirconiului tetragonal metastabil în zirconiu monoclinic și determină expansiunea volumului cristalelor de zirconiu, respingând vârfurile fisurilor și îmbunătățind în același timp tenacitatea - acest efect este cunoscut sub denumirea de întărire prin transformare indusă de solicitare.

Alumina întărită cu zirconiu este cunoscută pentru faptul că este puternică și durabilă, fiind în același timp izolatoare din punct de vedere electric - aceasta o face o alegere fantastică de material pentru componentele care necesită atât izolare mecanică, cât și electrică, cum ar fi manșoanele.

Compozitele alumină-zirconiu fabricate folosind zirconiu stabilizat cu Yttria (8YSZ) s-au dovedit superioare celor fabricate folosind alumină nestabilizată, la un cost la fel de competitiv. Aplicațiile ideale includ aplicații în care atât rezistența la abraziune, cât și bunele proprietăți de izolare electrică sunt esențiale - temperaturile de până la 1500 de grade C sunt la îndemâna sa!