Цирконієвий електрокорунд (ZTA)

Загартований цирконієвий електрокорунд (ZTA) - це інженерна кераміка, яка поєднує в собі властивості як електрокорунду, так і цирконієвої кераміки, забезпечуючи механічну міцність і стійкість до термічних ударів, що робить її придатною для ортопедичних застосувань, таких як головки стегнових кісток і вкладиші вертлюгової западини, а також для промислових застосувань, таких як ущільнення клапанів, втулки, деталі насосів, ріжучі інструменти, компоненти двигунів і ущільнення клапанів. Його можна знайти в ортопедичних виробах, таких як головки стегнових кісток і вкладиші кульшової западини, а в промислових виробах - в ущільненнях клапанів, втулках, деталях насосів, ріжучих інструментах, компонентах двигунів і деталях клапанів.

ZTA виробляється методом гелевого лиття з використанням порошкоподібного оксиду алюмінію та цирконієвого порошку, стабілізованого ітрієм. Цей процес включає підготовку суспензії, формування, сушіння розчинником з використанням як осмотичного, так і повітряного сушіння, піроліз і спікання як завершальні етапи.

Міцність

Загартований цирконієвий електрокорунд - ідеальний матеріал для застосувань, що вимагають одночасно високої міцності та в'язкості. Його виготовляють шляхом індукованого напруженням перетворення дрібних тетрагональних частинок цирконію в глиноземну матрицю. Цей процес забезпечує рівномірний розподіл частинок за розміром, що забезпечує чудові механічні властивості, такі як твердість, в'язкість руйнування та міцність - на додаток до хімічної та зносостійкості.

Частинки цирконію, дисперговані в глиноземній матриці, зазвичай не можуть змінюватися через хімічну взаємодію між собою та частинками глинозему, але можуть активуватися при навантаженні і трансформуватися. Трансформовані частинки цирконію створюють стискаючі напруження на фронтах тріщин, які перешкоджають їх поширенню; їх трансформація призводить до більшої в'язкості, ніж у традиційного глинозему.

Трансформаційне зміцнення вперше описав Клауссен у 1976 році, і воно характеризується тим, що частинки взаємодіють з фронтами тріщин, відхиляючи їх, одночасно створюючи стискаючі напруження перед кінчиками тріщин, таким чином підвищуючи в'язкість руйнування матеріалів (Claussen, 1976). Цей ефект підвищує в'язкість руйнування.

ZTA може бути виготовлений за допомогою гарячого ізостатичного пресування і добре підходить для матеріалів пар тремтіння ендопротезів кульшового суглоба, продемонструвавши вищу виживаність порівняно з керамічними головками зі стабілізованого ітрієм цирконію (Y-TZP) (Рис. 7.10). Крім того, великий вміст глинозему та вища щільність допомагають запобігти явищам старіння, які спостерігаються в Y-TZP і спричиняють надмірну температурну трансформацію та механічну деградацію з часом (Рис. 7.11 і 7.12).

ZTA - чудовий вибір матеріалу для медичних імплантатів, які мають бути стійкими до корозії та впливу біологічних рідин, як, наприклад, ті, що використовуються в операційних та турбінних двигунах. У порівнянні з традиційним оксидом алюмінію, ZTA має чудову стійкість до хімічної корозії; він може витримувати суворі умови навколишнього середовища, не руйнуючись і не виходячи з ладу. Крім того, ZTA може похвалитися винятковою стійкістю до термічних ударів, що означає, що він може переносити швидкі зміни температури, як, наприклад, компоненти печей і турбінних двигунів, не розтріскуючись і не руйнуючись під тиском.

Довговічність

Композити AZ надзвичайно міцні завдяки загартованим частинкам цирконію, диспергованим в глиноземній матриці. Під впливом навантаження частинки змінюють свою кристалічну структуру з тетрагональної на моноклінну, спричиняючи об'ємне розширення і стиснення, що допомагає зупинити поширення тріщин - ця властивість, відома як трансформаційне зміцнення, робить ZTA від HMA Wear Solutions ідеальним для застосувань, що вимагають високих рівнів міцності, в'язкості та твердості.

Міцність ще більше підвищується при термічному ударі. Частинки цирконію, розподілені по всій глиноземній матриці, поглинають енергію від швидких змін температури, захищаючи їх від руйнування і розтріскування через напругу, спричинену різкими перепадами температури. Таким чином, кераміку можна безпечно використовувати в обладнанні, що піддається різким та інтенсивним змінам температури, наприклад, в компонентах печей або турбінних двигунів, без ризику виходу з ладу.

Загартований цирконієвий електрокорунд відомий своєю стійкістю до корозії. Тому його можна використовувати в обладнанні, яке контактує з агресивними рідинами або хімічними речовинами, такими як травильні кислоти та миючі засоби. Крім того, механічна зносостійкість цього матеріалу робить його придатним для медичних імплантатів або пристроїв, які контактують з біологічними рідинами або хімічними речовинами, такими як миючі розчини.

Завдяки своїй довговічності та корозійній стійкості цирконієво-алюмінієві композити (ЦАК) використовуються в багатьох галузях промисловості. Виробники ріжучих інструментів часто обирають міцні, але в той же час жорсткі матеріали ZTA при створенні ріжучих інструментів; крім того, він став широко використовуватися у виробництві медичного обладнання, наприклад, ортопедичних імплантатів, таких як головки стегнових кісток і вкладиші вертлюгової западини.

Матеріали ZTA, що застосовуються в медицині, добре витримують навантаження завдяки своїй вищій в'язкості на злам - до 20 разів вищій, ніж у глинозему, - що допомагає знизити ризик крихкого руйнування, яке може спричинити несприятливі наслідки для здоров'я пацієнтів.

Стійкість до корозії

Загартований цирконієвий електрокорунд - це твердий, крихкий матеріал, призначений для роботи за високих температур і в суворих умовах навколишнього середовища. Він протистоїть корозії та хімічним впливам і має численні сфери застосування в аерокосмічній, машинобудівній та автомобільній галузях, а також має чудову механічну міцність, стійкість до термічних ударів і низький рівень зносу.

Кераміка ZTA відрізняється від традиційної кераміки тим, що складається з композитів глинозему та цирконію, які виробляються шляхом змішування цих матеріалів у суспензії перед спіканням при підвищених температурах. В результаті спікання утворюються дрібнодисперсні частинки тетрагональної фази цирконію в глиноземній матриці; коли тріщини просуваються по цій матриці, їхня енергія запускає фазові перетворення, які спричиняють розширення об'єму, що ефективно протидіє будь-яким наявним напруженням; це призводить до появи відхилених тріщин у різних місцях матриці, розсіюючи енергію руйнування і водночас розсіюючи енергію руйнування загалом.

Склад цього матеріалу може бути адаптований відповідно до його призначення, а співвідношення глинозему та цирконію може бути змінено за необхідності відповідно до його унікальних вимог. Наприклад, для підвищення міцності на розрив можна додати більше цирконію, тоді як більша кількість глинозему підвищить стійкість до гідротермального старіння та корозії.

Лінійка продуктів ZTA-96 була розроблена, щоб запропонувати економічно ефективні рішення для застосувань, що вимагають зносостійкості, корозійної стійкості та високої температурної стабільності. Доступна в широкому асортименті форм і розмірів з індивідуальними допусками і покриттями, ця кераміка може забезпечити надійну роботу в складних умовах експлуатації.

Цирконієвий електрокорунд давно відомий своєю стійкістю до зносу і корозії, а також чудовою хімічною стабільністю - обидві ці характеристики роблять його добре придатним для медичного застосування, де з ним контактують біологічні рідини або хімічні речовини. Крім того, цирконій вважається привабливим кандидатом для стоматологічних та хірургічних імплантатів завдяки його чудовій біологічній сумісності.

Biolox Delta компанії CeramTec з Плохінгена, Німеччина, був запущений у комерційний продаж як один з перших матеріалів ZTA у 2000 році як матеріал для заміни імплантатів для головок стегнових кісток та вкладишів кульшової западини. Складається з глиноземної матриці, армованої цирконієм і алюмінатом стронцію, які забезпечують механізми притуплення вершин тріщин і механізми зміцнення; разом з оксидом хрому для запобігання корозії при низьких температурах; за повідомленнями CeramTec, з цієї реставраційної кераміки було імплантовано понад 320 000 головок стегнових кісток і 160 000 вкладишів.

Стійкість до теплових ударів

Зерна цирконію в поєднанні з глиноземною матрицею створюють матеріал з винятковою стійкістю до термічних ударів, що робить його ідеальним для застосувань, пов'язаних з екстремальними температурами. Крім того, композити алюмоцирконієвого електрокорунду, як правило, перевершують чистий електрокорунд за довговічністю навіть при тривалому піскоструминному впливі.

ZTA має високу в'язкість при руйнуванні, що робить його ідеальним вибором матеріалу для застосувань, де крихкі матеріали не бажані. Однак для досягнення максимальної міцності та в'язкості, композити алюмоцирконієвого сплаву повинні бути належним чином спечені та ущільнені; занадто низька температура може призвести до появи точкових дефектів та зниження міцності на вигин - ось чому для забезпечення оптимального плавлення та розподілу частинок за розміром слід використовувати температуру 1550 градусів за Цельсієм.

Алюмоцирконієві композити забезпечують чудову зносостійкість ріжучих інструментів та інших абразивних компонентів, а також мають низьке тертя, що забезпечує додаткову хімічну інертність і нижчу вартість порівняно з аналогічними матеріалами, що використовуються для ортопедичних імплантатів. Поєднання цих властивостей робить ці композити дуже бажаними для застосування в медицині.

Навантаження на алюмоцирконієві композити призводить до того, що метастабільний тетрагональний цирконій перетворюється на моноклінний цирконій і викликає об'ємне розширення кристалів цирконію, відсуваючи вершини тріщин і підвищуючи в'язкість - цей ефект відомий як зміцнення, викликане трансформацією під дією напруги.

Загартований цирконієвий електрокорунд відомий своєю міцністю та довговічністю при одночасній електроізоляції - це робить його фантастичним вибором матеріалу для компонентів, які потребують як механічної, так і електричної ізоляції, наприклад, гільз.

Алюмоцирконієві композити, виготовлені з використанням стабілізованого цирконію Yttria (8YSZ), виявилися кращими за ті, що виготовлені з використанням нестабілізованого електрокорунду, при однаково конкурентоспроможній ціні. Ідеальні сфери застосування включають застосування, де важливими є як стійкість до стирання, так і хороші електроізоляційні властивості - температура до 1500 градусів Цельсія знаходиться в межах його можливостей!