氧化锆增韧氧化铝 (ZTA)

氧化锆增韧氧化铝（ZTA）是一种工程陶瓷，结合了氧化铝和氧化锆陶瓷的特性，具有机械强度和抗热震性，适用于骨科应用（如股骨头和髋臼衬垫）和工业应用（如阀门密封件、衬套、泵零件、切割工具、发动机部件和阀门密封件）。它可用于股骨头和髋臼衬垫等骨科应用，而工业应用则包括阀门密封衬套 阀门密封衬套 泵部件 切削工具 切削工具或发动机部件。

ZTA 是使用氧化铝粉末和钇稳定氧化锆粉末通过凝胶法生产的。该工艺包括浆料制备、成型、溶剂干燥（包括渗透和空气干燥工艺）、热解和烧结等最后步骤。

韧性

氧化锆增韧氧化铝是一种理想的材料，适用于同时要求高强度和高韧性的应用领域，它是通过应力诱导细小的四方氧化锆颗粒向氧化铝基体转化而产生的。这种工艺可产生均匀的粒度分布，从而产生优异的机械性能，如硬度、断裂韧性和韧性，此外还具有耐化学性和耐磨性。

分散在氧化铝基体中的氧化锆颗粒由于其本身与氧化铝颗粒之间的化学作用，通常不会发生变化，但在受到应力时可能会被激活发生转变。转变后的氧化锆颗粒会在裂纹前沿产生压应力，从而阻止裂纹的扩展；与传统的氧化铝相比，氧化锆颗粒的转变会产生更大的韧性。

克劳森在 1976 年首次描述了转化增韧，其特点是颗粒与裂纹前沿相互作用，使裂纹前沿偏转，同时在裂纹尖端产生压应力，从而提高材料的断裂韧性（克劳森，1976 年）。这种效应增加了断裂韧性。

ZTA 可通过热等静压法生产，非常适合用作髋关节置换轴承耦合材料，与钇稳定氧化锆（Y-TZP）制成的陶瓷股骨头相比，ZTA 的存活率更高（图 7.10）。此外，由于氧化铝含量高、密度大，Y-TZP 的老化现象会随着时间的推移而加剧，并导致机械性能下降（图 7.11 和 7.12）。

对于必须耐腐蚀和耐体液暴露的医疗植入物（如手术室和操作涡轮发动机中使用的植入物）来说，ZTA 是一种极佳的材料选择。与传统氧化铝相比，ZTA 具有优异的抗化学腐蚀性能；它能经受恶劣环境的考验，而不会降解或失效。此外，ZTA 还具有优异的抗热震性，这意味着它可以承受温度的快速变化，如熔炉部件和涡轮发动机部件，而不会在压力下开裂或断裂。

耐用性

AZ 复合材料具有极高的韧性，这是因为氧化铝基体中分散着增韧氧化锆颗粒。当受到应力时，颗粒会改变晶体结构，从四方晶变成单斜晶，从而导致体积膨胀和压缩，有助于阻止裂纹扩展--这种被称为转化增韧的特性使 HMA Wear Solutions 的 ZTA 成为要求高强度、高韧性和高硬度应用的理想材料。

在受到热冲击时，耐久性会进一步提高。分散在氧化铝基体中的氧化锆颗粒可吸收温度急剧变化产生的能量，保护它们不会因温度骤变产生的应力而断裂和开裂。因此，陶瓷可安全地用于暴露于温度骤变和剧烈变化的设备中，如熔炉部件或涡轮发动机部件，而不会有失效的风险。

氧化锆增韧氧化铝以其耐腐蚀性著称。因此，它可用于与腐蚀性液体或化学品（如蚀刻酸和清洁剂）接触的设备。此外，这种材料的机械耐磨性使其适用于与体液或清洁剂等化学品接触的医疗植入物或设备。

氧化锆氧化铝复合材料 (ZTA) 因其耐用性和耐腐蚀性，被广泛应用于各行各业。切削工具制造商在制造切削工具时，经常会选择 ZTA 这种坚固而强韧的材料；此外，它还被广泛用于医疗设备生产，如股骨头和髋臼衬垫等骨科植入设备。

医疗应用中使用的 ZTA 材料具有更高的断裂韧性（比氧化铝材料高出 20 倍），这有助于降低可能对患者健康造成不良影响的脆性失效风险。

耐腐蚀性

氧化锆增韧氧化铝是一种硬脆材料，可承受高温和恶劣环境。它能抵抗腐蚀和化学侵蚀，在航空航天、制造和汽车等行业应用广泛，并具有卓越的机械强度、抗热震性和低磨损率。

ZTA 陶瓷与传统陶瓷的不同之处在于，它们由氧化铝和氧化锆复合材料组成，在高温烧结前将这些材料混合在悬浮液中制成。烧结时，氧化铝基体中会产生细微分散的四方相氧化锆颗粒；当裂纹穿过基体时，其能量会引发相变，产生体积膨胀，从而有效抵消存在的任何应力；这会导致基体中多个位置出现偏转断裂，在分散断裂能量的同时，还能完全消散断裂能量。

这种材料的成分可根据其预期用途进行定制，氧化铝和氧化锆的比例可根据需要进行调整，以满足其独特的要求。例如，可在配方中加入更多氧化锆以提高抗拉强度，而更多的氧化铝则可提高抗水热老化和腐蚀的能力。

开发 ZTA-96 产品系列的目的是为需要耐磨、耐腐蚀和高温稳定性的应用提供具有成本效益的解决方案。这种陶瓷有各种形状和尺寸，并可根据客户要求定制公差和表面处理，可在苛刻的应用环境中提供可靠的性能。

氧化锆增韧氧化铝的耐磨性和耐腐蚀性以及出色的化学稳定性早已得到公认，这两个特点使其非常适合用于体液或化学品接触的医疗应用。此外，氧化锆还具有优异的生物相容性，因此被认为是牙科和外科植入物的理想材料。

德国普洛青根 CeramTec 公司生产的 Biolox Delta 于 2000 年作为首批 ZTA 材料投入商业销售，是股骨头和髋臼内衬的植入替代材料。根据 CeramTec 的报告，使用这种修复陶瓷植入的股骨头和髋臼衬垫已超过 32 万个和 16 万个。

抗热震性

氧化锆晶粒与氧化铝基体相结合，可产生一种具有超强抗热震性的材料，因此非常适合在极端温度下使用。此外，氧化铝-氧化锆复合材料的耐久性往往优于纯氧化铝，即使在长时间喷砂的情况下也是如此。

ZTA 具有很高的断裂韧性，因此在不需要脆性材料的应用中是理想的材料选择。然而，为了获得最大的强度和韧性，氧化铝-氧化锆复合材料必须进行适当的烧结和压实；温度过低可能会导致点缺陷和抗弯强度降低，因此应使用 1550 摄氏度的温度来确保最佳的熔融和粒度分布。

氧化铝-氧化锆复合材料在切削工具和其他磨料部件中具有出色的耐磨性，摩擦系数低，与用于整形外科植入物的类似材料相比，具有更高的化学惰性和更低的成本。这些特性的结合使这些复合材料在医疗应用中备受青睐。

对氧化铝-氧化锆复合材料施加应力，会使可蜕变的四方氧化锆转变为单斜氧化锆，并导致氧化锆晶体体积膨胀，从而使裂纹尖端后移，同时提高韧性--这种效应被称为应力诱导转变增韧。

氧化锆增韧氧化铝以坚固耐用而著称，同时还具有电绝缘性，这使其成为套管等需要机械和电气绝缘的部件的理想材料选择。

事实证明，使用钇稳定氧化锆（8YSZ）制造的氧化铝-氧化锆复合材料优于使用非稳定氧化铝制造的复合材料，而且成本同样具有竞争力。其理想应用包括对耐磨性和良好的电绝缘性能要求极高的应用--最高温度可达 1500 摄氏度！