Zirkónom tvrdený oxid hlinitý (ZTA)

Zirkóniom tvrdený oxid hlinitý (ZTA) je umelá keramika, ktorá kombinuje vlastnosti oxidu hlinitého a zirkóniovej keramiky a poskytuje mechanickú pevnosť a odolnosť voči tepelným šokom, vďaka čomu je vhodná pre ortopedické aplikácie, ako sú femorálne hlavice a acetabulárne vložky, a priemyselné aplikácie, ako sú tesnenia ventilov, puzdrá, časti čerpadiel, rezné nástroje, súčasti motorov a tesnenia ventilov. Možno ho nájsť v ortopedických aplikáciách, ako sú femorálne hlavy a acetabulárne vložky, zatiaľ čo priemyselné aplikácie zahŕňajú ventilové tesnenia puzdrá ventilové tesnenia puzdrá súčasti čerpadiel rezné nástroje rezné nástroje alebo súčasti motorov.

ZTA sa vyrába gélovým odlievaním s použitím práškového oxidu hlinitého a ytriom stabilizovaného zirkónového prášku. Tento proces zahŕňa prípravu suspenzie, formovanie, sušenie rozpúšťadlom s osmotickým aj vzduchovým sušením, pyrolýzu a spekanie ako posledné kroky.

Húževnatosť

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý je ideálny materiál pre aplikácie vyžadujúce vysokú pevnosť aj húževnatosť, pretože sa vyrába transformáciou jemných tetragonálnych častíc zirkónia do matrice oxidu hlinitého vyvolanou napätím. Týmto procesom sa vytvára rovnomerné rozloženie veľkosti častíc, ktoré zabezpečuje vynikajúce mechanické vlastnosti, ako je tvrdosť, lomová húževnatosť a húževnatosť - okrem toho poskytuje odolnosť voči chemikáliám a opotrebovaniu.

Častice oxidu zirkoničitého rozptýlené v matrici oxidu hlinitého sa vo všeobecnosti nemôžu meniť v dôsledku chemických interakcií medzi nimi a časticami oxidu hlinitého, ale pri namáhaní sa môžu aktivovať a prejsť transformáciou. Transformované častice zirkónia vytvárajú tlakové napätia na čele trhlín, ktoré zabraňujú ich šíreniu; ich transformácia má za následok väčšiu húževnatosť ako tradičný oxid hlinitý.

Claussen prvýkrát opísal transformačné húževnatosť v roku 1976 a charakterizuje ju interakcia častíc s čelami trhlín, ktoré ich vychýlia a zároveň vytvoria tlakové napätia pred hrotmi trhlín, čím sa zvýši lomová húževnatosť materiálov (Claussen 1976). Tento efekt zvyšuje lomovú húževnatosť.

ZTA sa môže vyrábať pomocou izostatického lisovania za tepla a je vhodný pre materiály ložiskových párov náhrad bedrového kĺbu, pričom v porovnaní s keramickými femorálnymi hlavicami z ytriom stabilizovaného zirkónu (Y-TZP) preukázal lepšiu životnosť (obrázok 7.10). Okrem toho jej vysoký obsah oxidu hlinitého a vyššia hustota pomáhajú zmierniť javy starnutia pozorované u Y-TZP, ktoré spôsobujú prehnanú t-m transformáciu a mechanickú degradáciu v priebehu času (obrázok 7.11 a 7.12).

ZTA je vynikajúcou voľbou materiálu pre lekárske implantáty, ktoré musia byť odolné voči korózii a pôsobeniu telesných tekutín, ako sú napríklad implantáty používané v operačných sálach a prevádzkových turbínových motoroch. V porovnaní s tradičným oxidom hlinitým ponúka ZTA vynikajúcu odolnosť voči chemickej korózii; odoláva náročným podmienkam bez toho, aby došlo k jeho degradácii alebo zlyhaniu. Okrem toho sa ZTA môže pochváliť výnimočnou odolnosťou voči teplotným šokom, čo znamená, že dokáže znášať rýchle zmeny teploty, ako sú napríklad komponenty pecí a súčasti turbínových motorov, bez toho, aby pod tlakom praskala alebo sa lámala.

Trvanlivosť

Kompozity AZ sú mimoriadne húževnaté vďaka tvrdeným časticiam zirkónu rozptýleným v matrici oxidu hlinitého. Pri vystavení namáhaniu častice menia svoju kryštálovú štruktúru z tetragonálnej na monoklinickú formu, čo spôsobuje objemovú expanziu a kompresiu, ktorá pomáha zastaviť šírenie trhlín - táto vlastnosť známa ako transformačné húževnatosť robí ZTA od spoločnosti HMA Wear Solutions ideálnym pre aplikácie vyžadujúce vysokú pevnosť, húževnatosť a tvrdosť.

Trvanlivosť sa ďalej zvyšuje pri tepelnom šoku. Častice oxidu zirkoničitého rozptýlené v matrici oxidu hlinitého absorbujú energiu z rýchlych zmien teploty, čím ich chránia pred prasknutím a praskaním v dôsledku napätia spôsobeného prudkými zmenami teploty. Keramika sa tak môže bezpečne používať v zariadeniach vystavených náhlym a intenzívnym teplotným zmenám, ako sú napríklad komponenty pecí alebo časti turbínových motorov, bez rizika zlyhania.

Tvrdený oxid zirkoničitý je známy svojou odolnosťou voči korózii. Preto sa môže používať v zariadeniach, ktoré prichádzajú do kontaktu s korozívnymi kvapalinami alebo chemikáliami, ako sú leptacie kyseliny a čistiace prostriedky. Okrem toho je tento materiál vďaka svojej odolnosti voči mechanickému opotrebovaniu vhodný pre lekárske implantáty alebo zariadenia, ktoré prichádzajú do kontaktu s telesnými tekutinami alebo chemikáliami, ako sú napríklad čistiace roztoky.

Vďaka svojej trvanlivosti a odolnosti voči korózii sa kompozitné materiály z oxidu zirkoničitého (ZTA) používajú v mnohých priemyselných odvetviach. Výrobcovia rezných nástrojov sa pri výrobe rezných nástrojov často rozhodujú pre pevné a zároveň húževnaté materiály ZTA; okrem toho sa začal vo veľkej miere používať na výrobu zdravotníckych zariadení, ako sú ortopedické implantáty, napríklad hlavice stehenných kĺbov a acetabulárne vložky.

Materiály ZTA používané v lekárskych aplikáciách dobre obstáli vďaka svojej vyššej lomovej húževnatosti - až 20-krát vyššej ako pri samotnom oxidu hlinitom - čo pomáha znižovať riziko krehkého zlyhania, ktoré by mohlo spôsobiť nepriaznivé účinky na zdravie pacientov.

Odolnosť proti korózii

Tvrdý oxid zirkoničitý je tvrdý, krehký materiál, ktorý je navrhnutý tak, aby odolával vysokým teplotám a drsnému prostrediu. Je odolný voči korózii a chemickým vplyvom a má početné využitie v rôznych odvetviach, ako je letecký priemysel, výroba a automobilový priemysel - a tiež vynikajúcu mechanickú pevnosť, odolnosť voči tepelným šokom a nízku mieru opotrebovania.

Keramika ZTA sa od tradičnej keramiky líši tým, že pozostáva z kompozitov oxidu hlinitého a zirkónia, ktoré sa vyrábajú zmiešaním týchto materiálov v suspenzii pred spekaním pri zvýšených teplotách. Spekaním vznikajú jemne rozptýlené častice tetragonálnej fázy zirkónu v matrici oxidu hlinitého; keď trhliny postupujú cez túto matricu, ich energia vyvoláva fázové premeny, ktoré spôsobujú objemovú expanziu, ktorá účinne pôsobí proti všetkým prítomným napätiam; to spôsobuje, že sa v nej objavujú vychýlené trhliny na viacerých miestach, čím sa rozptyľuje energia trhliny a zároveň sa energia trhliny celkovo rozptyľuje.

Zloženie tohto materiálu možno prispôsobiť podľa zamýšľaného použitia, pričom pomer oxidu hlinitého a zirkónu možno upraviť podľa potreby tak, aby vyhovoval jeho jedinečným požiadavkám. Napríklad by sa do jeho zloženia mohlo pridať viac zirkónu na zvýšenie pevnosti v ťahu, zatiaľ čo viac oxidu hlinitého by zvýšilo odolnosť proti hydrotermálnemu starnutiu a korózii.

Produktový rad ZTA-96 bol vyvinutý s cieľom ponúknuť nákladovo efektívne riešenia pre aplikácie vyžadujúce opotrebenie, koróziu a vysokú teplotnú stabilitu. Táto keramika, ktorá je k dispozícii v rôznych tvaroch a veľkostiach s možnosťou prispôsobenia tolerancií a povrchových úprav, dokáže zabezpečiť spoľahlivý výkon v náročných aplikáciách.

Zirkónom tvrdený oxid hlinitý je už dlho známy pre svoju odolnosť voči opotrebovaniu a korózii, ako aj pre svoju vynikajúcu chemickú stabilitu - obe vlastnosti ho predurčujú na použitie v medicíne, kde prichádza do kontaktu s telesnými tekutinami alebo chemikáliami. Okrem toho sa zirkónia považuje za atraktívneho kandidáta na zubné a chirurgické implantáty vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam biologickej kompatibility.

Biolox Delta od spoločnosti CeramTec z Plochingenu v Nemecku bol uvedený do komerčného predaja ako jeden z prvých komerčne dostupných ZTA materiálov v roku 2000 ako náhradný materiál pre implantáty na femorálne hlavice a acetabulárne vložky. Pozostáva z matrice oxidu hlinitého vystuženej zirkónom a hlinitanom stroncia, ktoré zabezpečujú mechanizmy otupenia hrotu trhliny a mechanizmy spevnenia; spolu s oxidom chrómu, ktorý zabraňuje korózii pri nízkych teplotách; podľa správ spoločnosti CeramTec bolo s použitím tejto výplňovej keramiky implantovaných viac ako 320 000 femorálnych hlavíc a 160 000 vložiek.

Odolnosť voči tepelným šokom

Zirkónové zrná v kombinácii s matricou z oxidu hlinitého vytvárajú materiál s výnimočnou odolnosťou voči tepelným šokom, vďaka čomu je ideálny na aplikácie pri extrémnych teplotách. Okrem toho kompozity oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého majú tendenciu prekonávať čistý oxid hlinitý z hľadiska trvanlivosti aj pri dlhodobom pieskovaní.

ZTA ponúka vysokú lomovú húževnatosť, vďaka čomu je ideálnou voľbou materiálu v aplikáciách, kde nie sú žiaduce krehké materiály. Na dosiahnutie maximálnej pevnosti a húževnatosti však musia byť kompozity hliníka a oxidu zirkoničitého správne spekané a zhutnené; príliš nízka teplota by mohla mať za následok bodové defekty a zníženú pevnosť v ohybe - preto by sa na zabezpečenie optimálneho spekania a rozloženia veľkosti častíc mala použiť teplota 1550 stupňov Celzia.

Kompozity oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého poskytujú vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu v rezných nástrojoch a iných abrazívnych komponentoch a majú nízke trenie, čo zvyšuje chemickú inertnosť a znižuje náklady v porovnaní s podobnými materiálmi používanými na ortopedické implantáty. Kombinácia ich vlastností robí tieto kompozity veľmi žiadanými v lekárskych aplikáciách.

Namáhanie kompozitov oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého spôsobuje, že metastabilný tetragonálny zirkón prechádza transformáciou na monoklinický zirkón a spôsobuje objemové rozšírenie zirkónových kryštálov, čo odsúva hroty trhlín a zároveň zvyšuje húževnatosť - tento efekt je známy ako transformáciou vyvolané húževnatenie.

Zirkóniom tvrdený oxid hlinitý je známy tým, že je pevný a odolný a zároveň elektricky izoluje - to z neho robí fantastickú voľbu materiálu pre komponenty, ktoré si vyžadujú mechanickú aj elektrickú izoláciu, ako sú napríklad objímky.

Kompozity oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého vyrobené s použitím ytriou stabilizovaného oxidu zirkoničitého (8YSZ) sa ukázali ako lepšie ako kompozity vyrobené s použitím nestabilizovaného oxidu hlinitého pri rovnako konkurencieschopnej cene. Ideálne aplikácie zahŕňajú aplikácie, kde je nevyhnutná odolnosť voči oderu a dobré elektroizolačné vlastnosti - až do teploty 1500 stupňov C sú v jeho možnostiach!