Циркониевый упрочненный глинозем (ZTA)

Циркониевый упрочненный глинозем (ZTA) - это инженерная керамика, сочетающая свойства глинозема и циркониевой керамики для обеспечения механической прочности и устойчивости к тепловым ударам, что делает ее подходящей для ортопедических применений, таких как головки бедра и вертлужные втулки, и промышленных, таких как уплотнения клапанов, втулки, детали насосов, режущие инструменты, компоненты двигателей и уплотнения клапанов. Его можно найти в ортопедических изделиях, таких как головки бедренных костей и вертлужные вставки, а в промышленных - в уплотнениях клапанов, втулках уплотнений клапанов, деталях насосов, режущих инструментах и компонентах двигателей.

ZTA производится методом гелеобразования с использованием порошка глинозема и циркония, стабилизированного иттрием. Этот процесс включает в себя приготовление суспензии, формование, сушку растворителем с осмотическим и воздушным процессами сушки, пиролиз и спекание в качестве заключительных этапов.

Прочность

Циркониевый упрочненный глинозем - идеальный материал для применений, требующих одновременно высокой прочности и вязкости. Он производится путем трансформации мелких тетрагональных частиц циркония в глиноземную матрицу под воздействием напряжения. Этот процесс позволяет получить равномерное распределение частиц по размерам, что обеспечивает превосходные механические свойства, такие как твердость, вязкость разрушения и прочность, в дополнение к химической и износостойкости.

Частицы диоксида циркония, диспергированные в глиноземной матрице, обычно не изменяются из-за химических взаимодействий между ними и частицами глинозема, но могут активироваться под воздействием нагрузки и претерпевать трансформацию. Трансформированные частицы диоксида циркония создают сжимающие напряжения на фронтах трещин, которые препятствуют их распространению; их трансформация приводит к повышению прочности по сравнению с традиционным глиноземом.

Впервые трансформационное упрочнение было описано Клауссеном в 1976 году. Оно характеризуется тем, что частицы, взаимодействующие с фронтами трещин, отклоняют их, одновременно создавая сжимающие напряжения перед вершинами трещин, тем самым увеличивая вязкость разрушения материалов (Claussen 1976). Этот эффект увеличивает вязкость разрушения.

ZTA может быть изготовлен методом горячего изостатического прессования и хорошо подходит для изготовления пары подшипников тазобедренного сустава, продемонстрировав более высокую живучесть по сравнению с керамическими головками бедренных костей из циркония, стабилизированного иттрием (Y-TZP) (рис. 7.10). Кроме того, большое содержание глинозема и более высокая плотность позволяют противостоять явлениям старения, наблюдаемым в Y-TZP, которые вызывают чрезмерную трансформацию t-m и механическую деградацию с течением времени (рис. 7.11 и 7.12).

ZTA - отличный выбор материала для медицинских имплантатов, которые должны быть устойчивы к коррозии и воздействию жидкостей, например, используемых в операционных и турбинных двигателях. По сравнению с традиционным глиноземом, ZTA обладает превосходной устойчивостью к химической коррозии; он может выдерживать жесткие условия окружающей среды, не разрушаясь и не выходя из строя. Кроме того, ZTA обладает исключительной стойкостью к тепловому удару, что означает, что он может выдерживать резкие изменения температуры, например, компонентов печей и турбинных двигателей, не трескаясь и не разрушаясь под давлением.

Долговечность

Композиты AZ отличаются высокой прочностью благодаря частицам циркония, диспергированным в глиноземной матрице. Под воздействием нагрузки частицы изменяют свою кристаллическую структуру от тетрагональной до моноклинной формы, вызывая расширение и сжатие объема, что помогает остановить распространение трещин. Это свойство, известное как трансформационное упрочнение, делает ZTA от HMA Wear Solutions идеальным для применения в областях, требующих высокой прочности, вязкости и твердости.

Долговечность еще больше увеличивается при воздействии теплового удара. Частицы диоксида циркония, диспергированные в глиноземной матрице, поглощают энергию быстрых перепадов температуры, защищая их от разрушения и растрескивания из-за напряжения, вызванного резкими перепадами температуры. Таким образом, керамика может безопасно использоваться в оборудовании, подверженном резким и сильным перепадам температур, например в компонентах печей или деталях турбинных двигателей, без риска выхода из строя.

Циркониевый упрочненный глинозем известен своей устойчивостью к коррозии. Поэтому его можно использовать в оборудовании, которое будет контактировать с агрессивными жидкостями или химическими веществами, такими как травильные кислоты и чистящие средства. Кроме того, механическая износостойкость этого материала позволяет использовать его для медицинских имплантатов или устройств, которые контактируют с биологическими жидкостями или химическими веществами, такими как чистящие растворы.

Благодаря своей долговечности и коррозионной стойкости циркониево-глиноземные композитные материалы (ZTA) используются во многих отраслях промышленности. Производители режущих инструментов часто выбирают прочные и в то же время жесткие материалы ZTA при создании режущих инструментов; кроме того, они стали широко использоваться для производства медицинского оборудования, например, ортопедических имплантатов, таких как головки бедренных костей и вертлужные вкладыши.

Материалы ZTA, применяемые в медицине, отличаются повышенной вязкостью разрушения - до 20 раз выше, чем у глинозема, - что позволяет снизить риск хрупкого разрушения, которое может вызвать негативные последствия для здоровья пациентов.

Устойчивость к коррозии

Циркониевый упрочненный глинозем - это твердый, хрупкий материал, предназначенный для работы при высоких температурах и в суровых условиях. Он противостоит коррозии и химическому воздействию и находит широкое применение в таких отраслях промышленности, как аэрокосмическая, обрабатывающая и автомобильная, а также обладает превосходной механической прочностью, устойчивостью к тепловым ударам и низкой скоростью износа.

Керамика ZTA отличается от традиционной керамики тем, что состоит из композитов глинозема и диоксида циркония, полученных путем смешивания этих материалов в суспензии перед спеканием при повышенных температурах. В результате спекания образуются мелкодисперсные частицы циркония тетрагональной фазы в глиноземной матрице; когда трещины проходят через эту матрицу, их энергия вызывает фазовые превращения, которые приводят к расширению объема, эффективно противодействующему любым присутствующим напряжениям; это вызывает появление отклоненных трещин в нескольких местах внутри матрицы, рассеивая энергию разрушения, но при этом полностью рассеивая энергию разрушения.

Состав этого материала может быть подобран в соответствии с его назначением, при этом соотношение глинозема и диоксида циркония может быть изменено в соответствии с его уникальными требованиями. Например, для повышения прочности на растяжение в состав можно добавить больше циркония, а большее количество глинозема повысит устойчивость к гидротермальному старению и коррозии.

Линейка продуктов ZTA-96 была разработана, чтобы предложить экономически эффективные решения для приложений, требующих износа, коррозии и устойчивости к высоким температурам. Эта керамика выпускается в ассортименте форм и размеров с индивидуальными допусками и отделкой, обеспечивая надежную работу в сложных условиях эксплуатации.

Циркониевый упрочненный глинозем давно известен своей устойчивостью к износу и коррозии, а также превосходной химической стабильностью - обе эти характеристики делают его хорошо подходящим для применения в медицине, где с ним контактируют биологические жидкости или химические вещества. Кроме того, диоксид циркония считается привлекательным кандидатом для изготовления стоматологических и хирургических имплантатов благодаря своим превосходным свойствам биологической совместимости.

Biolox Delta от CeramTec из Плохингена, Германия, был запущен в коммерческую продажу в 2000 году как один из первых материалов ZTA, доступных для коммерческого использования в качестве материала для замены имплантатов для головок бедренных костей и вертлужных вкладышей. Состоящий из алюмооксидной матрицы, усиленной диоксидом циркония и алюминатом стронция, которые обеспечивают механизмы притупления и упрочнения кончиков трещин, а также оксида хрома для предотвращения коррозии при низких температурах, этот реставрационный керамический материал был имплантирован в более чем 320 000 головок бедренной кости и 160 000 вкладышей, согласно отчетам CeramTec.

Устойчивость к тепловому удару

Зерна диоксида циркония в сочетании с глиноземной матрицей создают материал с исключительной стойкостью к тепловому удару, что делает его идеальным для применения в условиях экстремальных температур. Кроме того, алюмоциркониевые композиты превосходят чистый глинозем по долговечности даже при длительном воздействии пескоструйной обработки.

ZTA обладает высокой вязкостью разрушения, что делает его идеальным выбором материала в тех случаях, когда хрупкие материалы нежелательны. Однако для достижения максимальной прочности и жесткости алюмоциркониевые композиты должны быть правильно спечены и уплотнены; слишком низкая температура может привести к образованию точечных дефектов и снижению прочности на изгиб - поэтому для обеспечения оптимального плавления и распределения частиц по размерам следует использовать температуру 1550 градусов Цельсия.

Алюмоциркониевые композиты обеспечивают превосходную износостойкость режущих инструментов и других абразивных компонентов, обладают низким коэффициентом трения, а также химической инертностью и более низкой стоимостью по сравнению с аналогичными материалами, используемыми для изготовления ортопедических имплантатов. Сочетание таких свойств делает эти композиты весьма востребованными в медицине.

Под воздействием напряжения в композитах алюминия и циркония метастабильный тетрагональный цирконий превращается в моноклинный и вызывает объемное расширение кристаллов циркония, отодвигая кончики трещин и повышая вязкость - этот эффект известен как трансформационное упрочнение под воздействием напряжения.

Циркониевый упрочненный глинозем известен своей прочностью и долговечностью, а также электроизоляцией - это делает его фантастическим выбором материала для компонентов, требующих как механической, так и электрической изоляции, например, для гильз.

Алюмоциркониевые композиты, изготовленные с использованием иттрий-стабилизированного диоксида циркония (8YSZ), доказали свое превосходство над композитами, изготовленными с использованием нестабилизированного глинозема, при столь же конкурентоспособной стоимости. Идеальное применение включает в себя области, где важны как стойкость к истиранию, так и хорошие электроизоляционные свойства - температура до 1500 градусов Цельсия вполне доступна!