Hærdet aluminiumoxid af zirkoniumoxid (ZTA)

Zirconia toughened alumina (ZTA) er en usædvanlig hård teknisk keramik med enestående korrosionsbestandighed og dimensionsstabilitet, hvilket gør den velegnet til bærende anvendelser som ortopædiske implantater og tandlægekomponenter.

ZTA skabes ved at blande ustabiliserede zirkoniumoxidpartikler i en aluminiumoxidmatrix, hvor dets tilstedeværelse hæmmer metastabilt tetragonalt zirkoniumoxid i at faseovergå til dets ugunstige kubiske form og dermed forbedrer brudstyrke og -sejhed.

Høj styrke og sejhed

Zirconia toughened alumina (ZTA) er et ekstremt holdbart keramisk materiale med samme holdbarhed og isolerende egenskaber som almindelig aluminiumoxid, men som samtidig er betydeligt stærkere. Denne kombination gør ZTA ideelt til brug i en lang række industrielle udstyrsapplikationer samt i miljøer med høje temperaturer som dem, der findes i f.eks. medicinalindustrien. Desuden har ZTA en bedre korrosionsbestandighed end almindeligt aluminiumoxid ved temperaturer på op til 1773 K, hvilket gør den velegnet til udstyr, der bruges i barske eller udfordrende miljøer; desuden har den en lav varmeudvidelseskoefficient, hvilket gør dimensionsstabilitet afgørende i disse krævende situationer.

ZTA fremstilles ved at blande aluminiumoxid med enten yttrium-stabiliseret zirkoniumoxid (YSZ) eller ustabiliseret zirkoniumoxid (UNZ). Dette resulterer i et kompositmateriale, som er meget stærkere end begge materialer alene og har en overlegen brudstyrke sammenlignet med standard aluminiumoxidmaterialer - hvilket gør ZTA til et fremragende materialevalg til anvendelser, der kræver både styrke og holdbarhed, som f.eks. lejepar i hofteoperationer.

ZTA opnår sin brudstyrke gennem transformationshårdhed, hvor zirkonpartikler i en komposit ændrer sig fra tetragonal til monoklin krystalstruktur, når de udsættes for stress, hvilket fører til kompression og friktion mod en aluminiumoxidmatrix, som øger materialets brudstyrke betydeligt. Denne egenskab gør ZTA særligt velegnet til strukturelle anvendelser, f.eks. i industri- og rumfartskomponenter.

ZTA-komponenter, der er fremstillet af yttriumstabiliseret zirkoniumoxid (YSZ), opnår ofte højere sejhed på grund af dets evne til at modstå mere ekstreme forhold end ustabiliseret aluminiumoxid, f.eks. højere temperaturer. Desuden har dette materiale en overlegen kemisk stabilitet og slidstyrke sammenlignet med dets ustabiliserede modstykke.

YSZ kan også kombineres med ustabiliseret aluminiumoxid for at fremstille et endnu stærkere og sejere kompositmateriale, kendt som ATZ. ATZ-kompositter er blevet det foretrukne materiale i moderne hofteoperationer; et populært eksempel er BIOLOX delta fra CeramTec, der fungerer som både kugle og kop.

Zirkonoxidhærdet aluminiumoxids fremragende brudstyrke og styrke gør det til et fremragende materiale til fremstilling af lejer, afstandsstykker og andre mekaniske dele, der skal kunne modstå høje belastningsniveauer. Desuden bidrager dets specifikke stivhed til letvægtsdesign ved at tilføje letvægtsfunktioner.

Fremragende elektrisk isolering

Zirkonia-keramik i ZTA-matrixen giver fremragende elektrisk isolering og temperaturtolerance, hvilket gør det velegnet til udstyr, der skal kunne modstå intense industrielle processer. Desuden har dette materiale en enestående modstandsdygtighed over for kemisk korrosion i barske miljøer.

Kombinationen af aluminiumoxid og zirkoniumoxid skaber et ekstremt alsidigt keramisk materiale, der overgås af hver af deres individuelle egenskaber alene. Alumina giver hårdhed og sejhed, mens zirconia styrker sejhed og modstandsdygtighed over for termisk chok - og skaber et usædvanligt alsidigt materiale med ubegrænsede anvendelsesmuligheder.

Et eksempel på dette kan ses med den stigende brug af aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositter i hofteproteser, hvor tilsætning af YSZ giver mulighed for optimale kombinationer af hårdhed, brudstyrke og bøjningsstyrke i lejeparrets materialer i disse proteser. Resultatet er, at disse materialer skaber stærke, men holdbare løsninger med en mere naturlig hoftebevægelse end alternative materialer.

Zirkonoxidkeramik findes i mange applikationer, især dem, der kræver høj modstandsdygtighed over for termisk chok eller et nøjagtigt CTE-match med jern- eller ferritkomponenter, såsom højtemperaturdyser, smeltedigler og varmeelementer. Desuden har zirkonia-keramik vist sig at være nyttig inden for rumfart og videnskabelig forskning på grund af deres ekstreme temperaturtolerance.

Alumina-zirconia-kompositter har også en fremragende slidstyrke, hvilket gør dem til en vigtig faktor i industrielle applikationer, hvor der jævnligt opstår friktion. Det kan forlænge produkternes levetid og mindske omkostningerne til vedligeholdelse og nedetid, samtidig med at produktiviteten forbedres.

CeramTecs BIOLOX delta-kompositkeramik drager fordel af at være konsolideret ved hjælp af varm isostatisk presning, hvilket eliminerer hulrum og øger sejheden, samtidig med at det er let at bearbejde for at opnå overlegne mekaniske egenskaber med fremragende bøjnings- og brudsejhed, aluminiumoxidhårdhed og alligevel bearbejdelighed - hvilket giver producenter af skæreblade en række former og profiler at vælge imellem.

Fremragende korrosionsbestandighed

Fordi ZTA bruger zirkoniumoxid under fremstillingsprocessen, giver det en overlegen korrosionsbestandighed sammenlignet med monolitisk aluminiumoxidkeramik. Denne fordel skyldes øget sejhed på grund af tilsætning af zirkoniumdioxid; dette fører igen til større korrosionsbestandighed; dette giver mindre hyppig nedbrydning i løbet af levetiden, hvilket resulterer i lavere omkostninger til vedligeholdelse af udstyr og lavere udgifter til servicevedligeholdelse.

Zirkoniumoxid tilsat aluminiumoxid kan hjælpe med at gøre det modstandsdygtigt over for termisk chok, et vigtigt aspekt af ydeevnen, da aluminiumoxid har en tendens til at revne under pludselige høje temperaturændringer. Men takket være ZTA's øgede styrke og sejhed i forhold til dets aluminiumsmodstykke øges modstanden mod termisk chok dramatisk.

Tilsætning af zirkoniumdioxid til aluminiumoxid kan øge dets kemiske stabilitet, hvilket er afgørende i anvendelser, hvor det kommer i kontakt med ætsende medier. Denne forøgelse kan opnås via spændingsinduceret omdannelse af tetragonale zirkonpartikler til monokliniske zirkonpartikler; en effekt, der er kendt som dispersionsforstærkning.

Et eksperiment udført ved hjælp af et Box-Behnken-design med nedsænkningstider på op til 240 timer og forskellige koncentrationer af salpetersyre (HNO3) viste, at sintret aluminiums kemiske stabilitet faldt med stigende HNO3-koncentration, mens keramik viste bedre kemisk modstandsdygtighed ved lavere HNO3-niveauer og med kortere nedsænkningstider.

Aluminiumoxid- og zirkonoxidkeramik giver fremragende korrosionsbestandighed kombineret med enestående sejhed og bøjningsstyrke, hvilket gør dem velegnede til brug i forskellige miljøer. Zirconia toughened alumina (ZTA) vælges typisk, når kravene til styrke, holdbarhed og korrosionsbestandighed overstiger kravene til standard alumina-keramik; desuden har det lavere koefficienter for lineær termisk udvidelse end dets modstykke alumina-keramik til køleformål.

Fremragende modstandsdygtighed over for termisk stød

Zirconia toughened alumina (ZTA) er en avanceret komposit, der giver betydeligt større styrke, brudstyrke, hårdhed og bøjningsstyrke sammenlignet med ren alumina. Desuden har ZTA fremragende elektriske isoleringsegenskaber og korrosionsbestandighed samt en lav varmeudvidelseskoefficient - perfekt til dele, der kræver dimensionsstabilitet.

ZTA-pulver, der er fremstillet af Yttria-stabiliseret zirkoniumdioxidpulver, er et alternativ til ATZ til hofteimplantater på grund af dets biokompatibilitet, mekaniske egenskaber og kemiske stabilitet. ZTA kan også levere løsninger til komponenter, der udsættes for ekstreme forhold, og som hurtigt slides på grund af slid og korrosion, f.eks. flanger, muffer og forbindelsesstykker, der kræver beskyttelse mod slid og korrosion på grund af ekstreme forhold, f.eks. flanger, muffer eller forbindelsesstykker.

Materialers modstandsdygtighed over for termisk chok skyldes en kombination af faktorer, herunder deres lave specifikke varmekapacitet og porøsitet samt høje brudstyrke og bøjningsstyrke. Geometri spiller også en vigtig rolle for ydeevnen ved termisk chok - komponenternes form og størrelse kan være nok til at reducere deres modstandsdygtighed, ligesom faktorer som overfladeruhed og poretæthed kan gøre det.

ZTA fremstilles ved hjælp af gelstøbning, hvor pulveriseret aluminiumoxid og yttriumstabiliseret zirkoniumoxidpulver blandes til en opslæmning, som støbes i den ønskede del ved hjælp af formning. Når opslæmningen er tørret, bliver den enten tørret med opløsningsmiddel, osmotisk tørret, pyrolyseret og sintret ved henholdsvis 1550 grader og 1650 grader til videre forarbejdning og sintret for at producere ZTA. For at optimere denne fremstillingsproces kan faststofbelastninger under forberedelsen, støbningstype, afstøbning, opløsningsmiddeltørring med enten lufttørring eller opløsningsmiddeltørring med enten osmotisk tørring eller lufttørring samt effekter på mekaniske egenskaber som densitet, hårdhed, brudstyrke og bøjningsstyrke alle have stor indflydelse på mekaniske egenskaber som densitet, hårdhed, brudstyrke og bøjningsstyrke af disse egenskaber af mekaniske egenskaber som densitet, hårdhed, brudstyrke og bøjningsstyrke.

Tilsætning af mere yttria-stabiliseret zirkoniumoxid til en aluminiumoxidmatrix øger brudstyrken gennem transformation, dannelse af mikrorevner og dispersionsstyrkende processer. Desuden øger den øgede brudstyrke CTE-matchet mellem jern og ferrit, hvilket gør ZTA velegnet til anvendelser som højtemperaturdyser, smeltedigler, varmeelementer eller endda komponenter, der indeholder kobbertrådsisolering.