Zirkonijev strjeni aluminijev oksid (ZTA)

Trdni cirkonijev aluminijev oksid (ZTA) je umetna keramika, ki združuje lastnosti aluminijevega oksida in cirkonijeve keramike ter zagotavlja mehansko trdnost in odpornost na toplotne udarce, zato je primerna za ortopedske aplikacije, kot so femoralne glave in acetabularni vložki, ter za industrijske aplikacije, kot so tesnila ventilov, puše, deli črpalk, rezalna orodja, komponente motorjev in tesnila ventilov. Najdemo ga v ortopedskih aplikacijah, kot so femoralne glave in acetabularne obloge, industrijske aplikacije pa vključujejo tesnila ventilov puše tesnila ventilov puše deli črpalk rezalna orodja rezalna orodja ali komponente motorjev.

ZTA se proizvaja z gelcastingom z uporabo aluminijevega oksida v prahu in itrijevega stabiliziranega cirkonija v prahu. Ta postopek vključuje pripravo suspenzije, oblikovanje, sušenje s topilom z osmotskim in zračnim sušenjem, pirolizo in sintranje kot končne korake.

Trdnost

Zirkonijev kaljeni aluminijev oksid je idealen material za aplikacije, ki zahtevajo tako visoko trdnost kot žilavost, saj nastane s stresno inducirano transformacijo drobnih tetragonalnih delcev cirkonija v matriko iz aluminijevega oksida. S tem postopkom se doseže enakomerna porazdelitev velikosti delcev, ki zagotavlja vrhunske mehanske lastnosti, kot so trdota, žilavost ob zlomu in žilavost, poleg tega pa zagotavlja tudi odpornost proti kemikalijam in obrabi.

Delci cirkonija, razpršeni v matrici iz aluminijevega oksida, se zaradi kemičnih interakcij med njimi in delci aluminijevega oksida na splošno ne spreminjajo, vendar se lahko ob obremenitvi aktivirajo in se preoblikujejo. Preoblikovani delci cirkonija ustvarijo tlačne napetosti na frontah razpok, ki preprečujejo širjenje; njihova transformacija povzroči večjo žilavost kot tradicionalni aluminijev oksid.

Claussen je leta 1976 prvič opisal transformacijsko kaljenje, za katerega je značilno, da delci v interakciji s čelo razpoke le-to odklanjajo in hkrati ustvarjajo tlačne napetosti pred konicami razpoke, s čimer se poveča lomna žilavost materialov (Claussen 1976). Ta učinek poveča lomno žilavost.

ZTA se lahko proizvaja z vročim izostatičnim stiskanjem in je zelo primeren za materiale za ležajni par kolčne proteze, saj je v primerjavi s keramičnimi femoralnimi glavami iz itrijevega stabiliziranega cirkonija (Y-TZP) pokazal boljšo obstojnost (slika 7.10). Poleg tega velika vsebnost aluminijevega oksida in večja gostota pomagata ublažiti pojave staranja, ki se pojavljajo pri Y-TZP in sčasoma povzročijo pretirano preoblikovanje t-m in mehansko degradacijo (sliki 7.11 in 7.12).

ZTA je odličen material za medicinske vsadke, ki morajo biti odporni proti koroziji in izpostavljenosti telesnim tekočinam, kot so tisti, ki se uporabljajo v operacijskih sobah in turbinskih motorjih. V primerjavi s tradicionalnim aluminijevim oksidom je ZTA izjemno odporen proti kemični koroziji; vzdrži težka okolja, ne da bi se razgradil ali poškodoval. Poleg tega se ZTA ponaša z izjemno odpornostjo proti termičnim šokom, kar pomeni, da lahko prenese hitre temperaturne spremembe, kot so sestavni deli peči in turbinskih motorjev, ne da bi pod pritiskom razpokal ali se zlomil.

Trajnost

Kompoziti AZ so izredno žilavi zaradi kaljenih delcev cirkonija, razpršenih v matrici iz aluminijevega oksida. Ko so delci izpostavljeni obremenitvam, spremenijo svojo kristalno strukturo iz tetragonalne v monoklinsko obliko, kar povzroči prostorninsko širjenje in stiskanje, ki pomaga ustaviti širjenje razpok - zaradi te lastnosti, znane kot transformacijsko kaljenje, je ZTA iz HMA Wear Solutions idealen za aplikacije, ki zahtevajo visoko trdnost, žilavost in trdoto.

Trajnost se še poveča, če je izpostavljen toplotnemu šoku. Delci cirkonija, razpršeni po matrici iz aluminijevega oksida, absorbirajo energijo hitrih temperaturnih sprememb in jih ščitijo pred lomom in razpokami zaradi napetosti, ki jih povzročajo nenadne temperaturne spremembe. Keramika se tako lahko varno uporablja v opremi, ki je izpostavljena nenadnim in intenzivnim temperaturnim spremembam, kot so sestavni deli peči ali deli turbinskih motorjev, ne da bi pri tem tvegali okvaro.

Cirkonijev kaljeni aluminijev oksid je znan po svoji odpornosti proti koroziji. Zato se lahko uporablja v delih opreme, ki pridejo v stik s korozivnimi tekočinami ali kemikalijami, kot so kisline za jedkanje in čistila. Poleg tega je ta material zaradi svoje mehanske odpornosti proti obrabi primeren za medicinske vsadke ali naprave, ki prihajajo v stik s telesnimi tekočinami ali kemikalijami, kot so čistilne raztopine.

Zaradi svoje trajnosti in odpornosti proti koroziji se kompozitni materiali iz cirkonija in aluminijevega oksida (ZTA) uporabljajo v številnih panogah. Proizvajalci rezalnih orodij se pri izdelavi rezalnih orodij pogosto odločajo za močne, a trpežne materiale iz ZTA; poleg tega se pogosto uporablja za proizvodnjo medicinske opreme, kot so ortopedski vsadki, na primer femoralne glave in acetabularne obloge.

Materiali ZTA, ki se uporabljajo v medicinskih aplikacijah, se dobro obnesejo zaradi večje lomne žilavosti - do 20-krat večje od žilavosti samega aluminijevega oksida -, kar pomaga zmanjšati tveganje za krhko odpoved, ki bi lahko povzročila škodljive učinke na zdravje pacientov.

Odpornost na korozijo

Cirkonijev kaljeni aluminijev oksid je trd, krhek material, ki je zasnovan tako, da vzdrži visoke temperature in ostra okolja. Odporen je na korozijo in kemične napade ter ima številne možnosti uporabe v panogah, kot so letalska, proizvodna in avtomobilska industrija, ter vrhunsko mehansko trdnost, odpornost na toplotne udarce in nizko stopnjo obrabe.

Keramika ZTA se od običajne keramike razlikuje po tem, da je sestavljena iz kompozitov aluminijevega in cirkonijevega oksida, ki se proizvajajo z mešanjem teh materialov v suspenziji pred sintranjem pri povišanih temperaturah. Pri sintranju nastanejo drobno razpršeni delci cirkonija tetragonalne faze v matrici iz aluminijevega oksida; ko razpoke napredujejo po tej matrici, njihova energija sproži fazne transformacije, ki povzročijo prostorninsko raztezanje, ki učinkovito preprečuje vse prisotne napetosti; to povzroči nastanek odklonjenih lomov na več mestih znotraj matrice, kar razprši lomno energijo in hkrati razprši lomno energijo v celoti.

Sestavo tega materiala je mogoče prilagoditi glede na predvideno uporabo, pri čemer se razmerje med aluminijevim in cirkonijevim dioksidom po potrebi prilagodi edinstvenim zahtevam. Na primer, za povečanje natezne trdnosti se lahko v sestavo doda več cirkonija, medtem ko bi več aluminijevega oksida povečalo odpornost proti hidrotermičnemu staranju in koroziji.

Linija izdelkov ZTA-96 je bila razvita za zagotavljanje stroškovno učinkovitih rešitev za aplikacije, ki zahtevajo obrabno, korozijsko in visokotemperaturno stabilnost. Ta keramika je na voljo v različnih oblikah in velikostih s prilagojenimi tolerancami in zaključki, zato lahko zagotavlja zanesljivo delovanje v zahtevnih aplikacijah.

cirkonijev kaljeni aluminijev oksid je že dolgo znan po svoji odpornosti proti obrabi in koroziji ter odlični kemijski stabilnosti - zaradi obeh lastnosti je primeren za uporabo v medicini, kjer prihaja v stik s telesnimi tekočinami ali kemikalijami. Poleg tega velja cirkonij zaradi svojih odličnih lastnosti biološke združljivosti za privlačnega kandidata za zobne in kirurške vsadke.

Biolox Delta podjetja CeramTec iz Plochingena v Nemčiji je bil leta 2000 uveden v komercialno prodajo kot eden prvih komercialno dostopnih materialov ZTA kot nadomestni material za vsadke za femoralne glave in acetabularne vložke. Sestavljen je iz matrice aluminijevega oksida, ojačane s cirkonijem in stroncijevim aluminatom, ki zagotavljata mehanizme za blaženje razpok in kaljenje, ter kromovega oksida za preprečevanje korozije pri nizkih temperaturah; po poročilih podjetja CeramTec je bilo s to obnovitveno keramiko implantiranih več kot 320 000 femoralnih glavic in 160 000 vložkov.

Odpornost na toplotne udarce

Zirkonijeva zrna v kombinaciji z matriko iz aluminijevega oksida tvorijo material z izjemno odpornostjo na toplotne udarce, zato je idealen za uporabo pri ekstremnih temperaturah. Poleg tega so kompoziti aluminijevega in cirkonijevega oksida po vzdržljivosti boljši od čistega aluminijevega oksida tudi pri dolgotrajni izpostavljenosti peskanju.

ZTA ima visoko lomno žilavost, zato je idealen material za aplikacije, kjer krhki materiali niso zaželeni. Vendar pa je treba za največjo trdnost in žilavost kompozite iz aluminijevega cirkonija pravilno sintrati in zgoščati; prenizka temperatura lahko povzroči točkovne napake in zmanjšano upogibno trdnost - zato je treba uporabiti temperaturo 1550 stopinj Celzija, da se zagotovita optimalno spajanje in porazdelitev velikosti delcev.

Kompoziti aluminijevega in cirkonijevega oksida zagotavljajo odlično odpornost proti obrabi v rezalnih orodjih in drugih abrazivnih sestavnih delih ter imajo nizko trenje, kar zagotavlja dodatno kemično inertnost in nižje stroške v primerjavi s podobnimi materiali, ki se uporabljajo za ortopedske vsadke. Zaradi kombinacije lastnosti so ti kompoziti zelo zaželeni v medicinskih aplikacijah.

Napenjanje kompozitov iz aluminijevega oksida in cirkonija povzroči, da se metastabilni tetragonalni cirkonij preoblikuje v monoklinski cirkonij in povzroči prostorninsko razširitev kristalov cirkonija, kar potisne nazaj konice razpok in izboljša žilavost - ta učinek je znan kot s stresom povzročeno preoblikovanje žilavosti.

Zirkonijev kaljeni aluminijev oksid je znan po tem, da je močan in trpežen, hkrati pa električno izoliran - zato je odličen material za komponente, ki zahtevajo tako mehansko kot električno izolacijo, kot so na primer tulci.

Kompoziti aluminijevega in cirkonijevega oksida, izdelani z uporabo itrijevega stabiliziranega cirkonija (8YSZ), so se izkazali za boljše od tistih, izdelanih z uporabo nestabiliziranega aluminijevega oksida, pri enako konkurenčni ceni. Idealna uporaba vključuje aplikacije, pri katerih sta bistvena odpornost proti obrabi in dobra električna izolacija - zmožnost uporabe je do 1500 stopinj Celzija!