Zirkonium tvrzené oxidem hlinitým - ZTA

Zirkonium tvrzené oxidem hlinitým (ZTA) je pokročilý technický keramický materiál, který kombinuje pevnost a houževnatost oxidu hlinitého s vysokou odolností proti opotřebení a nabízí výjimečné vlastnosti odolnosti proti korozi a opotřebení pro použití v celé řadě průmyslových aplikací.

Částice zirkonu ZTA se pod tlakem mění z tetragonálních na monoklinické, čímž vzniká tlakové napětí, které zabraňuje šíření trhlin - tento materiál je tak mnohem odolnější než keramika z čistého oxidu hlinitého.

Tvrdost

ZTA je kompozitní materiál z oxidu hlinitého a zirkonu s výjimečnými mechanickými vlastnostmi. Díky své tvrdosti odolává vysokému namáhání a je vynikajícím materiálem pro brusné kotouče, které musí odolávat otěru a tření; navíc odolává korozi a tepelným šokům - všechny tyto vlastnosti předurčují ZTA k použití v průmyslových aplikacích včetně součástí pecí a dílů turbínových motorů.

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý (ZTA) je kompozitní materiál oxidu hlinitého a zirkoničitého s výrazně zvýšenou lomovou houževnatostí ve srovnání s čistým oxidem hlinitým, takže je schopen lépe odolávat šíření trhlin. Houževnatosti je dosaženo fázovými přeměnami rozptýlených částic zirkonia rozptýlených v matrici oxidu hlinitého pod napětím; při namáhání tyto částice zirkonia mění fázi z tetragonální na monoklinickou krystalovou strukturu, čímž se zvětšuje objem částic a zároveň se zvyšuje tlakové napětí, které omezuje šíření trhlin a zároveň zvyšuje lomovou houževnatost.

ZTA dokáže účinně ukládat tepelnou energii a omezit tak šíření trhlin. Částice zirkonia rozptýlené v matrici z oxidu hlinitého tak mohou absorbovat a uchovávat tepelnou energii, čímž zajišťují vynikající odolnost proti tepelným šokům v prostředí s vysokými teplotami a také vynikající ochranu proti chemické korozi - jsou tedy vhodné pro zdravotnické přístroje vystavené působení tělních tekutin a chemikálií.

Materiál ZTA se vyrábí smícháním prášku oxidu hlinitého a zirkonia před lisováním a spékáním různými metodami, jako je stříkání nebo vstřikování zirkonia do oxidu hlinitého. Zirkonium může být také kombinováno s jinými materiály, jako je karbid wolframu, aby se zvýšila pevnost konečného výrobku. Procesy tváření a spékání mohou být odpovídajícím způsobem přizpůsobeny tak, aby se optimalizoval výkon; jednou z takových oblíbených výrobních metod je odlévání do gelu, přičemž byl proveden výzkum optimálních výrobních podmínek, jako je zatížení pevnou látkou a teploty pro optimální podmínky výroby materiálu pro optimální výkon materiálu.

Odolnost proti opotřebení

Keramické kompozity s vysokým obsahem zirkonia zvyšují houževnatost, pevnost a odolnost proti opotřebení ve srovnání se samotným oxidem hlinitým. Společnost HMA Wear Solutions provedla testy s použitím těchto materiálů v abrazivním prostředí, kde ZTA předčil svůj protějšek díky podobné úrovni abrazivity; v podmínkách klouzavého opotřebení se tvrdé protilehlé plochy vzájemně neovlivňovaly, přičemž oxid hlinitý obvykle předčil ZTA díky vyšší úrovni tvrdosti, ale tento rozdíl je kompenzován tím, že ZTA má větší odolnost, která lépe odolává poškození nárazem.

ZTA se od běžného oxidu hlinitého liší odolností proti tepelným šokům. Je známo, že ZTA odolává teplotám až 1773 K, aniž by došlo k jeho prasknutí nebo rozbití, což z něj činí ideální materiál pro zařízení, která musí odolávat prudkým výkyvům teplot. Kromě toho má ve srovnání s běžnými materiály z oxidu hlinitého nižší koeficient tepelné roztažnosti, čímž se snižuje namáhání, které na něj působí při časovém rozpínání a smršťování.

ZTA má vynikající lomovou houževnatost, takže je vysoce odolný vůči rázovému zatížení, což z něj činí ideální materiál pro součásti vystavené mechanickému namáhání, jako jsou například těsnění ventilů. ZTA musí také odolávat opakovanému nárazovému zatížení, aniž by se zhoršila těsnicí schopnost.

Zirkonium je biokompatibilní, což znamená, že je bezpečné pro lidské použití. V kombinaci s vysokou pevností v ohybu a tvrdostí je to vynikající volba materiálu pro lékařské aplikace, jako je náhrada kyčelního kloubu. Kromě toho je díky své biokompatibilitě a trvanlivosti vhodný i pro další použití, kde je nezbytná odolnost proti mechanickému namáhání, včetně odolnosti proti opotřebení oděrem, korozí nebo chemickou erozí.

Chemická odolnost

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý je extrémně odolný proti korozi, takže je vhodný pro aplikace vystavené působení agresivních chemikálií nebo nečistot. Jeho odolnost navíc umožňuje snášet neustálé třecí namáhání, aniž by časem došlo k poškození nebo rozbití.

Částice zirkonia rozptýlené v matrici z oxidu hlinitého mohou absorbovat tepelnou energii a vytvářet tlaková napětí, která zabraňují vzniku trhlin při vysokých teplotách - díky tomu je tento materiál zvláště účinný pro aplikace vyžadující nepřetržitou expozici, jako jsou součásti pecí nebo součásti turbínových motorů.

Zirkonem zpevněný oxid hlinitý vyniká tím, že je schopen odolávat tvorbě dutin, což je u keramiky důležitá vlastnost, protože dutiny mohou výrazně snížit pevnost a způsobit poruchu. U zirkoničitého tvrzeného oxidu hlinitého se tento problém nevyskytuje, protože částice zirkonu jsou rovnoměrně rozptýleny v celé matrici.

Díky své odolnosti proti opotřebení a korozi je tvrzený oxid zirkoničitý vynikajícím materiálem pro řezné nástroje, protože ve srovnání s diamantem vyniká svou trvanlivostí a hospodárností. Odolává jak intenzivnímu tlaku brusných kotoučů, tak rychlým teplotním změnám, k nimž dochází při broušení; jeho výroba je navíc mnohem levnější než tradiční diamantové alternativy.

Výrobky ZTA poskytují optimální poměr mezi cenou a hodnotou, protože jsou výrazně pevnější než výrobky z oxidu hlinitého a zároveň levnější než čistý zirkon. Často se skládají z hlinitokřemičité matrice, jako je CeramTec ceramic Biolox Delta; jejich křivky ohybového tečení ukazují, že přítomnost zirkonia výrazně nemění rychlost tečení v ustáleném stavu (10-8 s-1 při 1473 K, 110 MPa); jeho přídavek však zvyšuje závislost primárního stupně tečení na napětí výrazně více u ZTA než u tradiční hlinitokeramiky.

Odolnost proti teplotním šokům

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý je ideálním materiálem pro aplikace, kde musí zařízení odolávat náhlým změnám teploty, aniž by došlo k jeho poškození, a to díky částicím zirkonu rozptýleným v matrici, které absorbují tepelnou energii a vytvářejí tlakové napětí, které pomáhá předcházet vzniku trhlin - to z něj činí ideální materiál pro konstrukci zařízení určených pro provoz při extrémních teplotách.

ZTA je pokročilá technická keramika, která kombinuje výhody oxidu hlinitého a zirkonu pro dosažení vynikající mechanické pevnosti. Jemná tetragonální zirkonová zrna, která se vyrábějí napěťově indukovaným transformačním zpevňováním, jsou usazena v matrici oxidu hlinitého a poté jsou společně slinuta, čímž vzniká tento materiál, který se vyznačuje extrémně vysokou lomovou houževnatostí a vysokou pevností v ohybu, díky čemuž je odolnější vůči nárazům a rázovému zatížení než jiná technická keramika.

ZTA vyniká působivou fyzikální pevností a dobrou chemickou a mechanickou stabilitou, takže je mimořádně odolný. Tento materiál nabízí vynikající odolnost proti korozi, která je odolná vůči agresivním chemikáliím používaným ve zdravotnickém vybavení i proti dlouhodobému nepřetržitému namáhání v odstředivkách. Díky své nízké rychlosti tečení vydrží i delší období trvalého namáhání, které se vyskytuje například při dlouhodobém provozu odstředivek na plné obrátky.

Zirkonem zpevněný oxid hlinitý lze dále zpevnit CeO2 a bylo prokázáno, že se tím zvyšuje jeho pevnost v ohybu i odolnost proti tepelným šokům. Přidání CeO2 navíc snižuje praskání ZTA vyvolané napětím a současně zvyšuje únavovou pevnost v důsledku tvorby dlouhých lamel LaMgAl11O19 během syntézy in-situ s oxidem hlinitým.

Elektrická izolace

Společnost Great Ceramics nabízí pokročilé technické keramické výrobky, jako je tvrzený oxid zirkoničitý, které splňují různé požadavky zákazníků na pevnost, trvanlivost a odolnost proti opotřebení. Kromě toho k jeho vynikajícím elektroizolačním vlastnostem patří vysoká rezistivita a nízké hodnoty dielektrické konstanty - ideální pro díly vyžadující jak mechanické, tak elektrické vlastnosti. Zirkoničitý tvrzený oxid hlinitý patří mezi ně! Společnost Great Ceramics vyrábí různé výrobky z tvrzeného oxidu zirkoničitého, takže zákazníci mají k dispozici nejlepší řešení, která jim vyhovují.

ZTA kombinuje vysokou tvrdost a lomovou houževnatost oxidu hlinitého s vynikající chemickou a tepelnou stabilitou oxidu zirkoničitého pro dosažení maximálního výkonu. Poměr oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého můžeme přizpůsobit podle specifikací zákazníka; například zvýšením obsahu oxidu zirkoničitého zvýšíme pevnost v ohybu nebo jeho snížením zlepšíme lomovou houževnatost nebo jiné vlastnosti.

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý se vyrábí smícháním rozptýlených částic zirkonu tetragonální fáze v matrici oxidu hlinitého před slinováním při různých teplotách, aby se získal materiál s požadovanou lomovou houževnatostí, tvrdostí a odolností proti tečení. Výběrem optimální teploty pro slinování lze vyrobit materiál s požadovanými vlastnostmi lomové houževnatosti, tvrdosti a odolnosti proti tečení.

Z analýzy SEM je patrné, že kompozity oxidu hlinitého a zirkonu s menší velikostí zrn a nižší teplotou slinování vykazují vyšší lomovou houževnatost. To je pravděpodobně způsobeno menší energií trhliny a kratší délkou trhliny díky menšímu počtu zrn na jednotku plochy.

Zirkonium tvrzené oxidem hlinitým (ATZ) je vícesložková keramika tvořená jemně rozptýleným práškem zirkonia tetragonální fáze suspendovaným v matrici oxidu hlinitého za vysokých teplot. Tento materiál se může pochlubit působivou mechanickou pevností, houževnatostí a transformační houževnatostí, díky čemuž je vhodný pro aplikace včetně elektrolytů pevných oxidů palivových článků a také pro konstrukční a polovodičové materiály. Ve vzájemné kombinaci nabízí výrazně vyšší tvrdost, lomovou houževnatost a odolnost proti opotřebení než jeho jednosložkový protějšek samotný oxid hlinitý při výrazně nižších nákladech.