Zirkoniumdioxidhärdad aluminiumoxid (ZTA)

Zirconia toughened alumina (ZTA) är en teknisk keram som kombinerar egenskaperna hos både aluminiumoxid- och zirkoniakeramik för att ge mekanisk styrka och motståndskraft mot termisk chock, vilket gör den lämplig för ortopediska applikationer som femurhuvuden och acetabulära liners, och industriella som ventiltätningar, bussningar, pumpdelar, skärverktyg, motorkomponenter och ventiltätningar. Det finns i ortopediska applikationer som femurhuvuden och acetabulära liners medan industriella applikationer inkluderar ventiltätningar bussningar ventiltätningar bussningar pumpdelar skärande verktyg skärande verktyg eller motorkomponenter.

ZTA tillverkas genom gelcasting med hjälp av pulveriserad aluminiumoxid och yttriumstabiliserade zirkoniumoxidpulver. Processen omfattar beredning av slurry, formning, torkning med lösningsmedel med både osmotisk torkning och lufttorkning, pyrolys och sintring som sista steg.

Tålighet

Zirkoniumoxidhärdad aluminiumoxid är ett idealiskt material för applikationer som kräver både hög hållfasthet och seghet, och framställs genom spänningsinducerad omvandling av fina tetragonala zirkoniumoxidpartiklar till en aluminiumoxidmatris. Denna process ger en jämn partikelstorleksfördelning som ger överlägsna mekaniska egenskaper som hårdhet, brottseghet och seghet - förutom att det ger kemisk beständighet och slitstyrka.

Zirkoniumoxidpartiklar som är dispergerade i en aluminiumoxidmatris hindras i allmänhet från att förändras på grund av kemiska interaktioner mellan dem själva och aluminiumoxidpartiklarna, men kan aktiveras vid påfrestning för att genomgå omvandling. Omvandlade zirkoniumoxidpartiklar skapar tryckspänningar vid sprickfronterna som förhindrar spridning; deras omvandling resulterar i större seghet än traditionell aluminiumoxid.

Claussen beskrev först transformationshärdning 1976 och den kännetecknas av att partiklar interagerar med sprickfronter för att avböja dem samtidigt som de skapar tryckspänningar framför sprickspetsarna, vilket ökar materialens brottseghet (Claussen 1976). Denna effekt ökar brottsegheten.

ZTA kan tillverkas genom varm isostatisk pressning och lämpar sig väl som material för höftledsledsbyten, eftersom det har visat sig ha överlägsen överlevnad jämfört med keramiska femurhuvuden av yttriumstabiliserad zirkonia (Y-TZP) (figur 7.10). Dessutom bidrar det höga innehållet av aluminiumoxid och den högre densiteten till att motverka de åldringsfenomen som förekommer i Y-TZP och som orsakar överdriven t-m-omvandling och mekanisk nedbrytning med tiden (figur 7.11 och 7.12).

ZTA är ett utmärkt materialval för medicinska implantat som måste vara motståndskraftiga mot korrosion och exponering för kroppsvätskor, t.ex. de som används i operationssalar och turbinmotorer. I jämförelse med traditionell aluminiumoxid har ZTA en överlägsen beständighet mot kemisk korrosion och klarar tuffa miljöer utan att försämras eller gå sönder. Dessutom har ZTA en exceptionell motståndskraft mot termisk chock, vilket innebär att den kan tolerera snabba temperaturförändringar, t.ex. i ugnskomponenter och turbinmotorkomponenter, utan att spricka eller gå sönder under tryck.

Hållbarhet

AZ-kompositer är extremt sega tack vare de seghärdade zirkoniumoxidpartiklarna som är dispergerade i en aluminiumoxidmatris. När partiklarna utsätts för påfrestningar ändrar de sina kristallstrukturer från tetragonal till monoklin form, vilket orsakar volymexpansion och kompression som hjälper till att stoppa sprickutbredningen - denna egenskap kallas transformationshärdning och gör ZTA från HMA Wear Solutions idealisk för applikationer som kräver hög styrka, seghet och hårdhetsnivåer.

Hållbarheten ökar ytterligare när de utsätts för termisk chock. Zirkoniumoxidpartiklar som är utspridda i en aluminiumoxidmatris absorberar energi från snabba temperaturförändringar och skyddar dem mot sprickbildning och sprickbildning på grund av spänningar som orsakas av plötsliga temperaturväxlingar. Därför kan keramik användas i utrustning som utsätts för plötsliga och intensiva temperaturförändringar, t.ex. ugnskomponenter eller turbinmotordelar, utan att riskera att gå sönder.

Härdad aluminiumoxid av zirkoniumdioxid är känd för sin korrosionsbeständighet. Det kan därför användas i utrustning som kommer i kontakt med frätande vätskor eller kemikalier som etsningssyror och rengöringsmedel. Dessutom gör materialets mekaniska slitstyrka det lämpligt för medicinska implantat eller utrustning som kommer i kontakt med kroppsvätskor eller kemikalier som rengöringslösningar.

Tack vare sin hållbarhet och korrosionsbeständighet används kompositmaterial av zirkoniumoxid-aluminiumoxid (ZTA) inom många olika branscher. Tillverkare av skärverktyg väljer ofta ZTA:s starka men ändå sega material när de skapar skärverktyg; dessutom har det blivit allmänt använt för produktion av medicinsk utrustning som ortopediska implantat som lårbenshuvuden och acetabulära liners.

ZTA-material som används i medicinska applikationer står sig väl tack vare sin högre brottseghet - upp till 20 gånger högre än för enbart aluminiumoxid - vilket bidrar till att minska risken för spröda brott som kan orsaka negativa hälsoeffekter hos patienterna.

Motståndskraft mot korrosion

Zirkoniumdioxid är ett hårt och sprött material som är utformat för att klara höga temperaturer och tuffa miljöer. Det motstår korrosion och kemiska angrepp och har många användningsområden inom branscher som flyg, tillverkning och fordonstillämpningar - liksom överlägsen mekanisk styrka, motståndskraft mot termisk chock och låga slitagehastigheter.

ZTA-keramer skiljer sig från traditionella keramer genom att de består av både aluminiumoxid- och zirkoniumdioxidkompositer, som framställs genom att dessa material blandas i suspension innan de sintras vid förhöjda temperaturer. Sintringen ger finfördelade zirkoniumdioxidpartiklar med tetragonal fas i en aluminiumoxidmatris; när sprickor rör sig över matrisen utlöser deras energi fasomvandlingar som ger volymexpansion som effektivt motverkar eventuella spänningar; detta gör att avböjda sprickor uppträder på flera ställen i matrisen, vilket sprider sprickornas energi samtidigt som sprickornas energi försvinner helt och hållet.

Sammansättningen av detta material kan skräddarsys efter den avsedda applikationen, där förhållandet mellan aluminiumoxid och zirkoniumoxid kan justeras efter behov för att passa de unika kraven. Exempelvis kan mer zirkoniumdioxid tillsättas i formuleringen för att öka draghållfastheten, medan mer aluminiumoxid skulle öka motståndskraften mot hydrotermisk åldring och korrosion.

Produktlinjen ZTA-96 har utvecklats för att erbjuda kostnadseffektiva lösningar för applikationer som kräver stabilitet mot slitage, korrosion och höga temperaturer. Denna keramik finns i en mängd olika former och storlekar med anpassade toleranser och ytbehandlingar och ger tillförlitlig prestanda i tuffa applikationer.

Zirconia härdad aluminiumoxid har länge varit känd för sin slitstyrka och korrosionsbeständighet samt sin utmärkta kemiska stabilitet - båda egenskaper som gör den väl lämpad för medicinska applikationer där kroppsvätskor eller kemikalier kommer i kontakt med den. Dessutom anses zirkonia vara en attraktiv kandidat för dentala och kirurgiska implantat på grund av dess överlägsna biologiska kompatibilitetsegenskaper.

Biolox Delta från CeramTec i Plochingen, Tyskland, lanserades för kommersiell försäljning som ett av de första ZTA-materialen på marknaden år 2000 som ett implantatersättningsmaterial för femurhuvuden och acetabulära liners. Biolox Delta består av en aluminiumoxidmatris som är förstärkt med zirkoniumoxid och strontiumaluminat som ger mekanismer för avtrubbning och härdning av sprickspetsar samt kromoxid för att förhindra korrosion vid låga temperaturer. Enligt CeramTecs rapporter har över 320.000 femurhuvuden och 160.000 inlägg implanterats med denna ersättningsceramik.

Motstånd mot termisk chock

Zirkoniumoxidkorn i kombination med en aluminiumoxidmatris ger ett material med exceptionell motståndskraft mot termisk chock, vilket gör det perfekt för applikationer som kräver extrema temperaturer. Alumina-Zirconia-kompositer tenderar dessutom att överträffa ren aluminiumoxid när det gäller hållbarhet, även vid långvarig exponering för sandblästring.

ZTA erbjuder hög brottseghet, vilket gör det till ett idealiskt materialval i applikationer där spröda material inte är önskvärda. För maximal styrka och seghet måste dock aluminium-zirkoniumdioxidkompositer sintras och kompakteras på rätt sätt; för låg temperatur kan leda till punktdefekter och minskad böjhållfasthet - därför bör 1550 grader användas för att säkerställa optimal fusion och partikelstorleksfördelning.

Aluminiumoxid-zirkoniumdioxidkompositer ger utmärkt slitstyrka i skärverktyg och andra abrasiva komponenter och har låg friktion, vilket ger ökad kemisk inertitet och lägre kostnad jämfört med liknande material som används för ortopediska implantat. Kombinationen av egenskaper gör dessa kompositer mycket eftertraktade i medicinska applikationer.

Vid spänningssättning av aluminiumoxid-zirkoniumoxidkompositer omvandlas metastabil tetragonal zirkoniumoxid till monoklin zirkoniumoxid och orsakar volymexpansion av zirkoniumoxidkristallerna, vilket skjuter tillbaka sprickspetsarna samtidigt som segheten förbättras - denna effekt kallas spänningsinducerad transformationshärdning.

Zirkoniumoxid är känt för att vara starkt och hållbart samtidigt som det är elektriskt isolerande - det gör det till ett fantastiskt materialval för komponenter som kräver både mekanisk och elektrisk isolering, t.ex. hylsor.

Aluminiumoxid-zirkoniumoxidkompositer tillverkade med Yttria Stabilized Zirconia (8YSZ) har visat sig vara överlägsna dem som tillverkas med ostabiliserad aluminiumoxid, till en lika konkurrenskraftig kostnad. Idealiska användningsområden är applikationer där både nötningsbeständighet och goda elektriska isoleringsegenskaper är viktiga - temperaturer på upp till 1500 grader Celsius ligger inom dess kapacitet!