Загартований цирконієвий електрокорунд (ZTA) - революційна міцність і довговічність

Композитна кераміка на основі зміцненої цирконієм алюмооксидної матриці з цирконієвим армуванням пропонує оптимальні характеристики твердості, в'язкості руйнування та міцності на вигин. цей вид цирконієвої кераміки менш схильний до низькотемпературної деградації та руйнування під впливом стресу, а також має високі механічні властивості.

Сила

Зміцнений цирконієвий електрокорунд має глиноземну матрицю, леговану добавками ітрію та оксиду хрому для захисту цирконію від гідротермальної деградації шляхом утримання молекул вологи на своїй поверхні, запобігаючи їх дифузії в цирконієву фазу. Крім того, відомо, що ці добавки зменшують кінетику фазових перетворень (Pezzotti et al, 2010a).

Кераміка ZTA демонструє високу механічну міцність завдяки трансформаційному зміцненню. Під впливом навантаження частинки цирконію змінюють свою кристалічну структуру з метастабільної тетрагональної на моноклінну, спричиняючи об'ємне розширення, яке стискає навколишню глиноземну матрицю, запобігаючи поширенню тріщин і підвищуючи в'язкість руйнування.

Додавання ітрію та хрому до глиноземної матриці може підвищити її стійкість до хімічного впливу води або біологічних рідин, що особливо актуально для медичних застосувань, де при контакті з водою/біологічними рідинами може виникати корозія під дією стресу. Ця особливість робить матеріал ще більш придатним для захисту від корозії під дією стресу в медичних умовах, де контакт між водою та біологічними рідинами може призвести до корозії під дією стресу алюмінієвих підкладок.

Biolox Delta від CeramTec є прикладом керамічного матеріалу ZTA і був імплантований у понад 320 000 головок стегнових кісток та 160 000 вкладишів кульшових западин, що забезпечує міцність, в'язкість, стійкість до переломів та зносостійкість, які перевершують показники чистого глинозему - це те, з чим не може зрівнятися жоден інший керамічний біоматеріал, який наразі використовується в ортопедичних цілях.

Міцність

Поєднання твердості та міцності цирконію робить його чудовим ріжучим матеріалом, особливо для різання високопродуктивних матеріалів, таких як кубічний нітрид бору (CBN). Його чудова зносостійкість дозволяє працювати на високих швидкостях з меншим нагріванням і вібрацією, ніж інструменти з карбіду вольфраму, при цьому він хімічно інертний, має низьке тертя, хімічну інертність і хорошу гарячу твердість, міцність на розрив, а також гарячу твердість і міцність на розрив у порівнянні з металами. Крім того, ZTA має відносно низьке теплове розширення, що робить його придатним для обробки середовищ з високим вмістом вологи, таких як CBN або оброблювані поверхні металів.

Гарві та ін. (1975) виявили, що дрібнодисперсні тетрагональні метастабільні осади можуть бути перетворені в моноклінну фазу за допомогою хімічної обробки, забезпечуючи покращені механічні властивості, такі як міцність на вигин і в'язкість. У комерційному застосуванні використовуються стабілізатори для управління цим процесом трансформації та підвищення в'язкості - наприклад, компанія CeramTec комерціалізувала Biolox Delta ZTA зі стабілізатором ітрієм, а також добавками, що містять хром і стронцій, для посилення механізмів зміцнення в межах глиноземної матриці.

Розмір частинок цирконію відіграє важливу роль у зміцненні, оскільки менші частинки забезпечують кращу дисперсію та утворення мікротріщин. Крім того, зміна співвідношення цирконію та глинозему дозволяє дизайнерам пристосовувати властивості кераміки до конкретних застосувань - стрижні та трубки для медичних імплантатів, ізоляційні втулки для висотних авіаційних компонентів або автомобільні компоненти - всі вони можуть отримати вигоду від деталей, створених спеціально з цирконієвої кераміки.

Жорсткість

Цирконієва кераміка - це твердий, зносостійкий і термічно стабільний матеріал, який забезпечує надзвичайну стійкість до тертя, що робить його придатним для виготовлення ріжучих інструментів. Ці властивості в поєднанні з високою еластичністю та в'язкістю на злам також роблять ZTA чудовим матеріалом. При нагріванні за нормальної температури ZTA має кращі характеристики, ніж чистий електрокорунд, завдяки вищій міцності на вигин і в'язкості руйнування; його механічні властивості можна навіть адаптувати до конкретних потреб застосування залежно від співвідношення цирконію та електрокорунду в його складі.

Загартований цирконієвий електрокорунд виділяється своїми інкапсулюючими властивостями як привабливий варіант порівняно з монолітним цирконієм. У той час як монолітний цирконій схильний до хемосорбції молекул води та низькотемпературної деградації, ZTA забезпечує захисну матрицю, яка інкапсулює локальні трансформації всередині нього, таким чином обмежуючи поширення трансформацій.

Механізм інкапсуляції ZTA не тільки запобігає низькотемпературній деградації, але й робить матеріал менш вразливим до корозії під дією стресу у воді або біологічних рідинах завдяки локальній трансформації від тетрагональних до моноклінних зерен цирконію, що відбувається в межах кожного зерна цирконію, а не поширюється по всьому. Крім того, ZTA менш схильний до поширення тріщин при втомних навантаженнях завдяки своїй здатності протистояти деформації при підвищених температурах.

Довговічність

Загартований цирконієвий електрокорунд (ZTA) - це результат поєднання міцності та довговічності цирконію зі стійкістю до стирання електрокорунду, що дає змогу створити передовий технічний матеріал, який перевершує обидва матеріали окремо. Композитна кераміка на основі цирконію, ZTA набагато довговічніша, ніж кожна з її складових частин окремо; має підвищену корозійну стійкість, а також витримує більше нагрівання, ніж стандартний алюміній.

Важливим фактором довговічності ZTA є його здатність зберігати свою метастабільну тетрагональну фазу навіть при високих температурах завдяки включенню глинозему в якості стабілізатора в його матрицю. Глинозем також має набагато вищий модуль пружності, ніж монолітний цирконій, допомагаючи поглинати хімічну та механічну енергію, яка в іншому випадку могла б спричинити трансформацію в моноклінну фазу та подальшу деградацію зміцненого цирконієвого електрокорунду. Статичні та циклічні випробування як глинозему, так і монолітного цирконію продемонстрували, що ZTA забезпечує значно вищу в'язкість і порогове напруження для розповсюдження тріщин, ніж монолітний цирконій. Поєднання високої міцності і в'язкості цирконію та електрокорунду забезпечує чудову зносостійкість для навантажених застосувань, що робить його ідеальним для використання в ортопедичних компонентах, таких як ендопротези кульшового суглоба, а також у промислових фрезах та інструментах, стійких до стирання ущільненнях або в гірничодобувній промисловості.