Zirkoniumdioxid-gehärtetes Aluminiumoxid (ZTA)

Zirconiumdioxid (ZTA) ist eine außergewöhnlich harte technische Keramik mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und Formstabilität, die sich gut für tragende Anwendungen wie orthopädische Implantate und zahnmedizinische Komponenten eignet.

ZTA wird durch Einmischen von unstabilisierten Zirkoniumdioxid-Partikeln in eine Aluminiumoxid-Matrix hergestellt, wobei das Vorhandensein von ZTA den Phasenübergang von metastabilem tetragonalem Zirkoniumdioxid in die ungünstige kubische Form verhindert und somit die Bruchzähigkeit und Festigkeit verbessert.

Hohe Festigkeit und Zähigkeit

Zirconiumdioxid (ZTA) ist ein extrem haltbares keramisches Material mit der gleichen Haltbarkeit und den gleichen isolierenden Eigenschaften wie normales Aluminiumoxid, aber mit einer deutlich höheren Festigkeit. Diese Kombination macht ZTA ideal für den Einsatz in einer Reihe von Industrieanlagen sowie in Umgebungen mit hohen Temperaturen, wie sie in Branchen wie der Pharmaindustrie vorkommen. Darüber hinaus bietet ZTA eine bessere Korrosionsbeständigkeit als normales Aluminiumoxid und hält Temperaturen bis zu 1773 K stand, wodurch es sich für Geräte eignet, die in rauen oder anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden; darüber hinaus weist es einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was die Dimensionsstabilität in diesen anspruchsvollen Situationen wesentlich macht.

ZTA wird durch Mischen von Aluminiumoxid mit entweder Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) oder nicht stabilisiertem Zirkoniumdioxid (UNZ) hergestellt. Das Ergebnis ist ein Verbundwerkstoff, der viel stärker ist als jedes der beiden Materialien allein und eine höhere Bruchzähigkeit aufweist als herkömmliche Aluminiumoxid-Materialien. Dies macht ZTA zu einem ausgezeichneten Material für Anwendungen, die sowohl Festigkeit als auch Haltbarkeit erfordern, wie z. B. Gleitpaarungen bei Hüftgelenkersatzoperationen.

ZTA erreicht seine Bruchzähigkeit durch Umwandlungszähigkeit, bei der sich die Zirkoniumdioxidpartikel in einem Verbundwerkstoff unter Belastung von einer tetragonalen in eine monokline Kristallstruktur verwandeln, was zu Druck und Reibung gegen eine Aluminiumoxidmatrix führt und die Bruchzähigkeit des Materials deutlich erhöht. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich ZTA besonders für strukturelle Anwendungen, z. B. für Bauteile in der Industrie oder der Luft- und Raumfahrt.

ZTA-Bauteile, die aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) hergestellt werden, weisen häufig eine höhere Zähigkeit auf, da sie extremeren Bedingungen wie höheren Temperaturen standhalten als unstabilisiertes Aluminiumoxid. Darüber hinaus besitzt dieses Material im Vergleich zu seinem unstabilisierten Gegenstück eine höhere chemische Stabilität und Verschleißfestigkeit.

YSZ kann auch mit unstabilisiertem Aluminiumoxid kombiniert werden, um einen noch stärkeren und zäheren Verbundwerkstoff, bekannt als ATZ, herzustellen. ATZ-Verbundwerkstoffe sind zum bevorzugten Material bei modernen Hüftprothesenoperationen geworden; ein beliebtes Beispiel ist BIOLOX delta von CeramTec, das sowohl als Kugel als auch als Pfanne dient.

Die hervorragende Bruchzähigkeit und Festigkeit von zirkoniumdioxidgehärtetem Aluminiumoxid machen es zu einem ausgezeichneten Werkstoff für die Herstellung von Lagern, Abstandshaltern und anderen mechanischen Teilen, die hohen Belastungen standhalten müssen. Darüber hinaus trägt seine spezifische Steifigkeit zu Leichtbaukonstruktionen bei, indem es leichte Merkmale hinzufügt.

Hervorragende elektrische Isolierung

Die in der ZTA-Matrix enthaltene Zirkoniumdioxid-Keramik bietet eine hervorragende elektrische Isolierung und Temperaturtoleranz, so dass sie sich für Geräte eignet, die intensiven industriellen Prozessen standhalten müssen. Außerdem bietet dieses Material eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen chemische Korrosion in rauen Umgebungen.

Durch die Kombination von Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid entsteht ein extrem vielseitiger keramischer Werkstoff, der durch keine der beiden Eigenschaften allein in den Schatten gestellt wird. Aluminiumoxid sorgt für Härte und Zähigkeit, während Zirkoniumdioxid die Zähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erhöht - ein außerordentlich vielseitiges Material mit unbegrenzten Anwendungsmöglichkeiten.

Ein Beispiel hierfür ist die zunehmende Verwendung von Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Verbundwerkstoffen in Hüftprothesen, bei denen die Zugabe von YSZ eine optimale Kombination von Härte, Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit in den Gleitpaarungsmaterialien dieser Prothesen ermöglicht. Das Ergebnis ist, dass diese Materialien starke und dennoch dauerhafte Lösungen mit einer natürlicheren Hüftbewegung als alternative Materialien bieten.

Zirkoniumdioxidkeramik findet sich in zahlreichen Anwendungen, insbesondere in solchen, die eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit oder eine exakte WAK-Übereinstimmung mit Eisen- oder Ferritkomponenten erfordern, wie z. B. Hochtemperaturdüsen, Tiegel und Heizelemente. Darüber hinaus haben sich Zirkoniumdioxidkeramiken aufgrund ihrer extremen Temperaturtoleranz in der Luft- und Raumfahrt sowie in der wissenschaftlichen Forschung als nützlich erwiesen.

Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Verbundwerkstoffe zeichnen sich auch durch eine hervorragende Verschleißfestigkeit aus, was sie zu einem wichtigen Faktor bei industriellen Anwendungen macht, bei denen regelmäßig Reibung auftritt. Dies kann die Produktlebensdauer verlängern, die Kosten für Wartung und Ausfallzeiten senken und gleichzeitig die Produktivität verbessern.

CeramTecs BIOLOX delta Verbundkeramik profitiert von der Verfestigung durch heißisostatisches Pressen, wodurch Hohlräume eliminiert und die Zähigkeit erhöht werden, während sie gleichzeitig leicht bearbeitet werden kann, um hervorragende mechanische Eigenschaften mit ausgezeichneter Biege- und Bruchzähigkeit, Aluminiumoxidhärte und Bearbeitbarkeit zu erzielen - was den Herstellern von Schneidklingen eine Reihe von Formen und Profilen zur Auswahl bietet.

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Da bei der Herstellung von ZTA Zirkoniumdioxid verwendet wird, bietet es eine bessere Korrosionsbeständigkeit als monolithische Aluminiumoxid-Keramik. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Erhöhung der Zähigkeit durch die Zugabe von Zirkoniumdioxid, was wiederum zu einer höheren Korrosionsbeständigkeit führt; dies ermöglicht eine weniger häufige Degradation während der Nutzungsdauer, was zu geringeren Kosten für die Instandhaltung der Ausrüstung und niedrigeren Wartungskosten führt.

Durch den Zusatz von Zirkoniumdioxid zu Aluminiumoxid kann die Temperaturwechselbeständigkeit erhöht werden - ein wichtiger Leistungsaspekt, da Aluminiumoxid bei plötzlichen hohen Temperaturschwankungen zu Rissen neigt. Dank der höheren Festigkeit und Zähigkeit von ZTA im Vergleich zu seinem Aluminium-Gegenstück erhöht sich die Temperaturwechselbeständigkeit jedoch drastisch.

Der Zusatz von Zirkoniumdioxid zu Aluminiumoxid kann dessen chemische Stabilität erhöhen, was für Anwendungen, bei denen es mit korrosiven Medien in Berührung kommt, von entscheidender Bedeutung ist. Diese Erhöhung kann durch die spannungsinduzierte Umwandlung von tetragonalen Zirkoniumdioxidteilchen in monokline Zirkoniumdioxidteilchen erreicht werden; ein Effekt, der als Dispersionsverstärkung bekannt ist.

Ein Experiment, das unter Verwendung eines Box-Behnken-Designs mit Eintauchzeiten von bis zu 240 Stunden und verschiedenen Konzentrationen von Salpetersäure (HNO3) durchgeführt wurde, ergab, dass die chemische Stabilität von gesintertem Aluminiumoxid mit zunehmender HNO3-Konzentration abnahm, während Keramik bei niedrigeren HNO3-Konzentrationen und kürzeren Eintauchzeiten eine bessere chemische Beständigkeit zeigte.

Aluminiumoxid- und Zirkoniumdioxid-Keramik bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit außergewöhnlicher Zähigkeit und Biegefestigkeit, wodurch sie sich für den Einsatz in verschiedenen Umgebungen eignen. Zirkoniumdioxid (ZTA) wird in der Regel gewählt, wenn die Anforderungen an Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit die von Standard-Aluminiumoxidkeramik übersteigen; außerdem hat es einen geringeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten als seine Gegenstücke aus Aluminiumoxidkeramik für Kühlzwecke.

Ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit

Zementiertes Aluminiumoxid (ZTA) ist ein fortschrittlicher Verbundwerkstoff, der im Vergleich zu reinem Aluminiumoxid eine deutlich höhere Festigkeit, Bruchzähigkeit, Härte und Biegefestigkeit aufweist. Darüber hinaus verfügt ZTA über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit sowie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten - perfekt für Teile, die Maßhaltigkeit erfordern.

ZTA-Pulver, das aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid-Pulver hergestellt wird, ist aufgrund seiner Biokompatibilität, seiner mechanischen Eigenschaften und seiner chemischen Stabilität eine Alternative zu ATZ für Hüftgelenkersatzimplantate. ZTA kann auch Lösungen für Komponenten bieten, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind und aufgrund von Verschleiß und Korrosion schnell verschleißen, wie z. B. Flansche, Hülsen und Verbindungsstücke, die vor Verschleiß und Korrosion aufgrund extremer Bedingungen geschützt werden müssen, wie z. B. Flansche, Hülsen oder Verbindungsstücke.

Die Temperaturwechselbeständigkeit von Werkstoffen ergibt sich aus einer Kombination von Faktoren, darunter ihre geringe spezifische Wärmekapazität und Porosität sowie ihre hohe Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit. Auch die Geometrie spielt eine wesentliche Rolle bei der Temperaturwechselbeständigkeit - Form und Größe der Bauteile können ausreichen, um ihre Widerstandsfähigkeit zu verringern, ebenso wie Faktoren wie Oberflächenrauheit und Porendichte.

ZTA werden im Gelgießverfahren hergestellt, bei dem pulverförmiges Aluminiumoxid und Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid zu einer Aufschlämmung vermischt werden, die durch Formen in das gewünschte Teil gegossen wird. Sobald diese Aufschlämmung getrocknet ist, wird sie entweder durch Lösungsmittel getrocknet, osmotisch getrocknet, pyrolysiert und bei 1550 Grad Celsius bzw. 1650 Grad Celsius zur weiteren Verarbeitung gesintert und zur Herstellung von ZTA gesintert. Um diesen Herstellungsprozess zu optimieren, können die Feststoffbeladung während der Vorbereitung, die Art der Entformung, die Lösungsmittel-Trocknung (Lufttrocknung versus Lösungsmittel-Trocknung), die osmotische Trocknung (Lufttrocknung) sowie die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften wie Dichte, Härte, Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften wie Dichte, Härte, Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit dieser Eigenschaften haben.

Die Zugabe von mehr Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid zu einer Aluminiumoxid-Matrix erhöht die Bruchzähigkeit durch Umwandlung, Mikrorissbildung und Dispersionsverfestigungsprozesse. Außerdem wird durch die Erhöhung der Bruchzähigkeit die WAK-Anpassung zwischen Eisen und Ferrit verbessert, wodurch sich ZTA für Anwendungen wie Hochtemperaturdüsen, Tiegel, Heizelemente oder sogar Bauteile mit Kupferdrahtisolierung eignet.