Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA)

Zirkonový tvrzený oxid hlinitý (ZTA) je mimořádně tvrdá technická keramika s vynikající odolností proti korozi a rozměrovou stálostí, díky čemuž je vhodná pro nosné aplikace, jako jsou ortopedické implantáty a dentální komponenty.

ZTA vzniká přimícháním nestabilizovaných částic zirkonia do matrice oxidu hlinitého, kde jeho přítomnost brání metastabilnímu tetragonálnímu zirkoniu ve fázovém přechodu do nevýhodné kubické formy, a tím zlepšuje lomovou houževnatost a pevnost.

Vysoká pevnost a odolnost

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA) je extrémně odolný keramický materiál s trvanlivostí a izolačními vlastnostmi běžného oxidu hlinitého, který je však výrazně pevnější. Díky této kombinaci je ZTA ideální pro použití v řadě průmyslových zařízení a také v prostředí s vysokými teplotami, které se vyskytují například ve farmaceutickém průmyslu. Kromě toho se ZTA může pochlubit vyšší odolností proti korozi než běžný oxid hlinitý, který vydrží teploty až 1773 K, což jej činí vhodným pro zařízení používaná v drsných nebo náročných prostředích; navíc se může pochlubit nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, což činí rozměrovou stabilitu v těchto náročných situacích zásadní.

ZTA se vyrábí smícháním oxidu hlinitého se zirkonem stabilizovaným yttriem (YSZ) nebo nestabilizovaným zirkonem (UNZ). Výsledkem je kompozitní materiál, který je mnohem pevnější než oba materiály samotné a má vyšší lomovou houževnatost ve srovnání se standardními materiály z oxidu hlinitého - ZTA je tak vynikající volbou materiálu pro aplikace vyžadující pevnost i odolnost, jako jsou ložiskové páry při operacích kyčelních náhrad.

ZTA dosahuje své lomové houževnatosti díky transformačnímu zpevnění, při kterém se částice zirkonu v kompozitu při namáhání mění z tetragonální na monoklinickou krystalovou strukturu, což vede ke stlačení a tření o matrici oxidu hlinitého, což výrazně zvyšuje lomovou houževnatost materiálu. Díky této vlastnosti je ZTA zvláště vhodný pro konstrukční aplikace, například pro použití v průmyslových nebo leteckých komponentech.

Součástky ZTA vyráběné s použitím yttria stabilizovaného zirkonia (YSZ) často dosahují vyšší úrovně houževnatosti díky své schopnosti odolávat extrémnějším podmínkám než nestabilizovaný oxid hlinitý, například vyšším teplotám. Kromě toho má tento materiál ve srovnání se svým nestabilizovaným protějškem vyšší chemickou stabilitu a odolnost proti opotřebení.

YSZ lze také kombinovat s nestabilizovaným oxidem hlinitým a získat tak ještě pevnější a houževnatější kompozitní materiál, známý jako ATZ. Kompozity ATZ se staly základním materiálem při operacích moderních kyčelních náhrad; jedním z populárních příkladů je BIOLOX delta od společnosti CeramTec, který slouží jako kulička i kalíšek.

Vynikající lomová houževnatost a pevnost oxidu zirkoničitého z něj činí vynikající materiál pro výrobu ložisek, distančních prvků a dalších mechanických součástí, které musí odolávat vysokému namáhání. Jeho specifická tuhost navíc přispívá k lehkým konstrukcím tím, že přidává lehké prvky.

Vynikající elektrická izolace

Zirkoniová keramika obsažená v matrici ZTA poskytuje vynikající elektrickou izolaci a teplotní toleranci, takže je vhodná pro zařízení, která musí odolávat intenzivním průmyslovým procesům. Kromě toho se tento materiál může pochlubit výjimečnou odolností proti chemické korozi v drsném prostředí.

Kombinace oxidu hlinitého a zirkonu vytváří mimořádně univerzální keramický materiál, který předčí jakoukoli z jejich samostatných vlastností. Hliník poskytuje tvrdost a houževnatost, zatímco zirkon zvyšuje houževnatost a odolnost proti tepelným šokům - vzniká tak mimořádně univerzální materiál s neomezeným využitím.

Jedním z takových příkladů je stále častější používání kompozitů oxidu hlinitého a zirkonu v kyčelních náhradách, kde přidání YSZ umožňuje dosáhnout optimální kombinace tvrdosti, lomové houževnatosti a pevnosti v ohybu u materiálů ložiskového páru těchto náhrad. Výsledkem je, že tyto materiály vytvářejí pevná a zároveň odolná řešení s přirozenějším pohybem kyčelního kloubu než alternativní materiály.

Zirkonovou keramiku lze použít v mnoha aplikacích, zejména v těch, které vyžadují vysokou odolnost proti tepelným šokům nebo přesnou shodu CTE s železnými nebo feritovými součástmi, jako jsou vysokoteplotní trysky, kelímky a topná tělesa. Kromě toho se zirkoniová keramika díky své schopnosti tolerovat extrémní teploty osvědčila v aplikacích pro letecký a vědecký výzkum.

Kompozity hliníku a zirkonu se rovněž vyznačují vynikající odolností proti opotřebení, což z nich činí zásadní prvek v průmyslových aplikacích, kde dochází k pravidelnému tření. To může prodloužit životnost výrobku a zároveň snížit náklady na údržbu a prostoje a současně zvýšit produktivitu.

Kompozitní keramika BIOLOX delta společnosti CeramTec těží z toho, že je konsolidována pomocí izostatického lisování za tepla, čímž se eliminují dutiny a zvyšuje houževnatost, a zároveň je snadno obrobitelná pro vynikající mechanické vlastnosti s vynikající ohybovou a lomovou houževnatostí, tvrdostí oxidu hlinitého a zároveň obrobitelností - výrobci řezných nožů tak mají na výběr z celé řady tvarů a profilů.

Vynikající odolnost proti korozi

Vzhledem k tomu, že se při výrobě ZTA používá zirkon, nabízí v porovnání s monolitickou keramikou z oxidu hlinitého vyšší odolnost proti korozi. Tato výhoda vyplývá ze zvýšení houževnatosti v důsledku přidání zirkonia; to zase vede k větší odolnosti proti korozi; to umožňuje méně častou degradaci během životnosti, což vede k nižším nákladům na údržbu zařízení a nižším výdajům na servisní údržbu.

Zirkonium přidané do oxidu hlinitého může přispět k jeho odolnosti vůči teplotním šokům, což je důležitý aspekt výkonu, protože oxid hlinitý má tendenci praskat při náhlých změnách vysokých teplot. Díky zvýšené pevnosti a houževnatosti ZTA oproti jeho hliníkovému protějšku se však odolnost proti teplotním šokům výrazně zvyšuje.

Přídavek zirkonia do oxidu hlinitého může zvýšit jeho chemickou stabilitu, což má zásadní význam v aplikacích, kde přichází do styku s korozivními médii. Tohoto zvýšení lze dosáhnout transformací tetragonálních částic zirkonia vyvolanou napětím na monoklinické částice zirkonia, což je efekt známý jako disperzní zpevnění.

Experiment provedený s využitím Box-Behnkenova vzorce s dobou ponoření až 240 hodin a různými koncentracemi kyseliny dusičné (HNO3) zjistil, že chemická stabilita slinutého oxidu hlinitého klesá s rostoucí koncentrací HNO3, zatímco keramika vykazuje lepší chemickou odolnost při nižších koncentracích HNO3 a při kratší době ponoření.

Keramika z oxidu hlinitého a zirkonia poskytuje vynikající odolnost proti korozi v kombinaci s výjimečnou houževnatostí a pevností v ohybu, takže je vhodná pro použití v různých prostředích. Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA) se obvykle volí v případech, kdy požadavky na pevnost, trvanlivost a odolnost proti korozi převyšují požadavky standardní korundové keramiky; navíc má nižší koeficienty lineární tepelné roztažnosti než jeho protějšek korundová keramika pro účely chlazení.

Vynikající odolnost proti teplotním šokům

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA) je moderní kompozit, který ve srovnání s čistým oxidem hlinitým nabízí výrazně vyšší pevnost, lomovou houževnatost, tvrdost a pevnost v ohybu. Kromě toho se ZTA může pochlubit vynikajícími elektroizolačními vlastnostmi a odolností proti korozi a také nízkým koeficientem tepelné roztažnosti - ideální pro díly, které vyžadují rozměrovou stabilitu.

Prášek ZTA, vyráběný z práškového zirkonu stabilizovaného yttrií, je díky své biokompatibilitě, mechanickým vlastnostem a chemické stabilitě alternativou k ATZ pro implantáty kyčelních náhrad. ZTA může také poskytnout řešení pro součásti vystavené extrémním podmínkám, které se rychle opotřebovávají v důsledku opotřebení a koroze, jako jsou příruby, objímky a konektory, které vyžadují ochranu před opotřebením a korozí v důsledku vystavení extrémním podmínkám, jako jsou příruby. objímky nebo konektory.

Odolnost materiálů proti tepelným šokům je výsledkem kombinace několika faktorů, včetně jejich nízké měrné tepelné kapacity a pórovitosti, jakož i vysoké lomové houževnatosti a pevnosti v ohybu. Nedílnou roli v odolnosti proti tepelnému šoku hraje také geometrie - tvar a velikost součástí mohou dostatečně snížit jejich odolnost, stejně jako faktory drsnosti povrchu a hustoty pórů.

ZTA se vyrábějí litím do gelu, při kterém se smíchá práškový oxid hlinitý a yttrií stabilizovaný zirkonový prášek a vytvoří se suspenze, která se odlévá do požadované části pomocí lisování. Jakmile tato suspenze vyschne, suší se buď rozpouštědlem, nebo osmoticky, pyrolyzuje se a slinuje při teplotě 1550 stupňů C, resp. 1650 stupňů C pro další zpracování a slinování, čímž vzniká ZTA. Pro optimalizaci tohoto výrobního procesu může mít pevné zatížení během přípravy; typ odformování; sušení rozpouštědlem buď na vzduchu versus sušení rozpouštědlem buď osmotické sušení versus sušení na vzduchu; stejně jako vliv na mechanické vlastnosti, jako je hustota, tvrdost lomová houževnatost a pevnost v ohybu, to vše může mít zásadní vliv na mechanické vlastnosti, jako je hustota, tvrdost lomová houževnatost a pevnost v ohybu těchto vlastností mechanických vlastností, jako je hustota tvrdost lomová houževnatost a pevnost v ohybu.

Přídavek většího množství zirkonia stabilizovaného yttriem do matrice oxidu hlinitého zvyšuje lomovou houževnatost prostřednictvím transformace, tvorby mikrotrhlin a procesů disperzního zpevnění. Zvýšení lomové houževnatosti navíc zvyšuje shodu CTE mezi železem a feritem, díky čemuž je ZTA vhodný pro aplikace, jako jsou vysokoteplotní trysky, kelímky, topná tělesa nebo dokonce součásti, v nichž je umístěna izolace měděného drátu.