Zirconia Toughened Alumina (ZTA) - revoluționează rezistența și durabilitatea

Zirconia dură Alumina matrice ceramică compozită cu armătură de zirconiu oferă caracteristici optime de duritate - rezistență la fractură - rezistență flexurală. acest tip de ceramică de zirconiu tinde să fie mai puțin susceptibilă la degradarea la temperaturi scăzute și la deteriorarea asistată de stres și prezintă, de asemenea, proprietăți mecanice puternice.

Putere

Zirconia Toughened Alumina prezintă o matrice de alumină dopată cu aditivi de oxid de ytriu și crom pentru a proteja zirconia de degradarea hidrotermală prin captarea moleculelor de umiditate pe suprafețele lor, împiedicând difuzarea lor în faza de zirconie. În plus, se știe că acești aditivi reduc cinetica transformării fazelor (Pezzotti et al, 2010a).

Ceramica ZTA prezintă o rezistență mecanică ridicată prin întărirea prin transformare. Sub tensiune, particulele de zirconiu își schimbă structura cristalină de la structuri cristaline tetragonale metastabile la structuri cristaline monoclinice, provocând o expansiune a volumului care comprimă matricea de alumină înconjurătoare, împiedicând propagarea fisurilor și crescând tenacitatea la fractură.

Adăugarea de oxid de ytriu și crom la matricea de alumină poate crește rezistența acesteia la atacul chimic din partea apei sau a fluidelor corporale, ceea ce este deosebit de relevant în aplicațiile medicale în care coroziunea asistată de tensiuni a aluminei poate apărea în contact cu apa/fluidele corporale. Această caracteristică face ca materialul să fie și mai potrivit pentru protecția împotriva coroziunii asistate de tensiuni în mediile medicale în care contactul dintre apă/fluide corporale ar putea duce la coroziunea asistată de tensiuni a substraturilor de alumină.

Biolox Delta de la CeramTec este un exemplu de material ceramic ZTA și a fost implantat în peste 320.000 de capete femurale și 160.000 de căptușeli acetabulare pentru a oferi rezistență, duritate, rezistență la fractură și rezistență la uzură care o depășesc pe cea a aluminei pure - ceea ce niciun alt biomaterial ceramic utilizat în prezent în aplicații ortopedice nu poate egala.

Rezistență

Combinația de duritate și rezistență a zirconiului îl face un material de tăiere excelent, în special pentru tăierea materialelor de înaltă performanță, cum ar fi nitrurile cubice de bor (CBN). Rezistența sa superioară la uzură îi permite să suporte viteze mari cu căldură și vibrații reduse față de sculele din carbură de tungsten, fiind în același timp inert din punct de vedere chimic, cu frecare redusă, inert din punct de vedere chimic și prezentând o duritate la cald, o rezistență la rapire, precum și o duritate la cald și o rezistență la rapire bune comparativ cu metalele. În plus, ZTA prezintă o dilatare termică relativ scăzută, ceea ce îl face potrivit pentru prelucrarea mediilor cu conținut de umiditate, cum ar fi CBN sau suprafețele prelucrabile ale metalelor.

Garvie et al. (1975) au constatat că precipitatele metastabile tetragonale fin dispersate pot fi transformate în fază monoclinică prin tratamente chimice, oferind proprietăți mecanice îmbunătățite, precum rezistența la flexiune și duritatea. Aplicațiile comerciale utilizează stabilizatori pentru a gestiona acest proces de transformare și a crește tenacitatea - de exemplu, CeramTec a comercializat Biolox Delta ZTA cu ytriu ca stabilizator, precum și aditivi care conțin crom și stronțiu pentru a stimula mecanismele de întărire în matricea sa de alumină.

Dimensiunile particulelor de zirconiu joacă un rol esențial în întărire, particulele mai mici asigurând o dispersie mai bună și formarea de microfisuri. În plus, modificarea raportului dintre zirconiu și alumină permite proiectanților să adapteze proprietățile ceramicii în mod specific pentru aplicații individuale - tije și tuburi pentru implanturi medicale, manșoane izolatoare pentru componente de aeronave de mare altitudine sau componente auto - toate pot beneficia de piese personalizate create special cu ceramică de zirconiu.

Rigiditate

Ceramica de zirconiu este un material dur, rezistent la uzură și stabil termic, care oferă o rezistență remarcabilă la frecare, ceea ce îl face potrivit pentru uneltele de tăiere. Proprietățile lor - combinate cu elasticitatea ridicată și rezistența la fractură - fac, de asemenea, din ZTA un material excelent. Atunci când este încălzit la temperaturi normale, ZTA oferă performanțe îmbunătățite față de alumina pură, oferind o rezistență la flexiune și o tenacitate la fractură mai ridicate; proprietățile sale mecanice pot fi chiar adaptate în funcție de nevoile specifice ale aplicației, pe baza cantității de zirconiu față de alumină prezentă în compoziția sa.

Alumina întărită cu zirconiu se remarcă ca o opțiune atractivă față de zirconiul monolitic prin proprietățile sale de încapsulare. În timp ce zirconia monolitică este susceptibilă la chimisorbția moleculelor de apă și la degradarea la temperaturi scăzute, ZTA oferă o matrice protectoare care încapsulează transformările locale în interiorul său, limitând astfel propagarea transformărilor.

Mecanismul de încapsulare al ZTA nu numai că previne degradarea la temperaturi scăzute, dar face, de asemenea, materialul mai puțin vulnerabil la coroziunea asistată de stres în apă sau fluide corporale, datorită transformării localizate de la granule de zirconiu tetragonal la granule de zirconiu monoclinic, care are loc în interiorul fiecărui grăunte de zirconiu, în loc să se răspândească în întregul material. În plus, ZTA este mai puțin predispus la propagarea fisurilor sub sarcini de oboseală datorită capacității sale de a rezista la deformare la temperaturi ridicate.

Durabilitate

Alumina întărită cu zirconiu (ZTA) este rezultatul combinării rezistenței și durabilității zirconiului cu rezistența la abraziune a aluminei pentru un material tehnic avansat care depășește ambele materiale de unul singur. O ceramică compozită pe bază de zirconiu, ZTA este mult mai durabilă decât oricare dintre componentele sale individuale; cu o rezistență sporită la coroziune, precum și o rezistență la căldură mai mare decât aluminele standard.

Un factor esențial al durabilității ZTA constă în capacitatea sa de a-și menține faza metastabilă tetragonală chiar și la temperaturi ridicate, datorită încorporării aluminei ca agent stabilizator în matricea sa. Alumina are, de asemenea, un modul de elasticitate mult mai mare decât zirconiul monolitic, contribuind la absorbția energiei chimice și mecanice care, în caz contrar, ar provoca transformarea în faze monoclinice și degradarea suplimentară a Zirconia Toughened Alumina. Testele statice și ciclice efectuate atât pe alumină, cât și pe zirconiu monolitic au demonstrat că ZTA oferă o tenacitate și o tensiune de prag pentru propagarea fisurilor semnificativ superioare celor ale zirconiului monolitic. Combinația de rezistență ridicată și tenacitate a zirconiului și aluminei asigură o rezistență superioară la uzură pentru aplicații purtătoare de sarcină, ceea ce o face perfectă pentru utilizarea în componente ortopedice, cum ar fi protezele de șold sau în freze și unelte industriale, garnituri rezistente la abraziune sau aplicații miniere.