Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA)

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA) on poikkeuksellisen kova tekninen keramiikka, jolla on erinomainen korroosionkestävyys ja mittatarkkuus, joten se soveltuu hyvin kantaviin sovelluksiin, kuten ortopedisiin implantteihin ja hammaslääketieteellisiin komponentteihin.

ZTA syntyy sekoittamalla stabiloimattomia zirkoniumoksidihiukkasia alumiinioksidimatriisiin, jossa sen läsnäolo estää metastabiilia tetragonaalista zirkoniumoksidia siirtymästä epäsuotuisaan kuutiomuotoonsa ja parantaa siten murtumissitkeyttä ja lujuutta.

Korkea lujuus ja sitkeys

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA) on erittäin kestävä keraaminen materiaali, jolla on tavallisen alumiinioksidin kestävyys ja eristysominaisuudet, mutta joka on kuitenkin huomattavasti vahvempi. Tämä yhdistelmä tekee ZTA:sta ihanteellisen käytettäväksi useissa teollisuuslaitteiden sovelluksissa sekä korkean lämpötilan ympäristöissä, joita esiintyy esimerkiksi lääketeollisuudessa. Lisäksi ZTA:lla on tavallista alumiinioksidia parempi korroosionkestävyys jopa 1773 K:n lämpötiloissa, mikä tekee siitä sopivan laitteisiin, joita käytetään ankarissa tai haastavissa ympäristöissä; lisäksi sillä on alhainen lämpölaajenemiskerroin, mikä tekee mittapysyvyydestä olennaisen tärkeää näissä vaativissa tilanteissa.

ZTA valmistetaan sekoittamalla alumiinioksidia joko yttrium-stabiloituun zirkoniumoksidiin (YSZ) tai stabiloimattomaan zirkoniumoksidiin (UNZ). Näin saadaan komposiittimateriaali, joka on paljon lujempaa kuin kumpikaan materiaali yksinään ja jolla on parempi murtumissitkeys kuin tavallisilla alumiinioksidimateriaaleilla - mikä tekee ZTA:sta erinomaisen materiaalivalinnan sovelluksiin, joissa tarvitaan sekä lujuutta että kestävyyttä, kuten laakeripareihin lonkan tekonivelleikkauksissa.

ZTA saavuttaa murtumissitkeytensä muuntokarkaisun avulla, jossa komposiitissa olevat zirkoniumoksidihiukkaset muuttuvat tetragonaalisesta monokliiniseksi kiderakenteeksi, kun ne joutuvat rasituksen alaisiksi, mikä johtaa puristumiseen ja kitkaan alumiinioksidimatriisia vasten, mikä lisää merkittävästi materiaalin murtumissitkeyttä. Tämän ominaisuuden ansiosta ZTA soveltuu erityisen hyvin rakenteellisiin sovelluksiin, kuten teollisuus- tai ilmailu- ja avaruuskomponentteihin.

Yttriumoksidistabiloitua zirkoniumoksidia (YSZ) käyttäen valmistetuilla ZTA-komponenteilla saavutetaan usein korkeampi sitkeys, koska ne kestävät stabiloimatonta alumiinioksidia äärimmäisempiä olosuhteita, kuten korkeampia lämpötiloja. Lisäksi tällä materiaalilla on parempi kemiallinen stabiilisuus ja kulutuskestävyys kuin stabiloimattomalla vastineellaan.

YSZ voidaan myös yhdistää stabiloimattoman alumiinioksidin kanssa, jolloin saadaan vielä vahvempi ja sitkeämpi komposiittimateriaali, joka tunnetaan nimellä ATZ. ATZ-komposiiteista on tullut nykyaikaisissa lonkkaleikkauksissa suosittu materiaali; yksi suosittu esimerkki on CeramTecin BIOLOX delta, joka toimii sekä pallona että kuparina.

Zirkoniumoksidilla karkaistun alumiinioksidin erinomainen murtumiskestävyys ja lujuus tekevät siitä erinomaisen materiaalin laakereiden, välikappaleiden ja muiden mekaanisten osien valmistukseen, joiden on kestettävä suurta rasitusta. Lisäksi sen erityinen jäykkyys edistää kevyttä suunnittelua lisäämällä kevyitä ominaisuuksia.

Erinomainen sähköeristys

ZTA-matriisin sisältämä zirkoniumoksidikeramiikka tarjoaa erinomaisen sähköeristyksen ja lämpötilan sietokyvyn, joten se soveltuu laitteisiin, joiden on kestettävä voimakkaita teollisuusprosesseja. Lisäksi tämä materiaali kestää poikkeuksellisen hyvin kemiallista korroosiota ankarissa ympäristöissä.

Alumiinioksidin ja zirkoniumoksidin yhdistelmä muodostaa erittäin monipuolisen keraamisen materiaalin, joka ylittää kummankaan yksittäisen ominaisuuden yksinään. Alumiinioksidi tarjoaa kovuutta ja sitkeyttä, kun taas zirkoniumoksidi vahvistaa sitkeyttä ja lämpöshokkien kestävyyttä - näin luodaan poikkeuksellisen monipuolinen materiaali, jolla on rajattomasti sovelluksia.

Yksi esimerkki tästä on alumiini-sirkoniakomposiittien lisääntyvä käyttö lonkkaproteeseissa, joissa YSZ:n lisääminen mahdollistaa optimaalisen kovuuden, murtumissitkeyden ja taivutuslujuuden yhdistelmän näiden proteesien laakeriparin materiaaleissa. Tämän tuloksena nämä materiaalit luovat vahvoja mutta kestäviä ratkaisuja, joissa lonkan liike on luonnollisempi kuin vaihtoehtoisissa materiaaleissa.

Zirkoniumoksidikeramiikkaa käytetään lukuisissa sovelluksissa, erityisesti sellaisissa, joissa vaaditaan korkeaa lämpöshokkien kestävyyttä tai tarkkaa CTE-yhteensopivuutta rauta- tai ferriittikomponenttien kanssa, kuten korkean lämpötilan suuttimissa, upokkaissa ja lämmityselementeissä. Lisäksi zirkoniumoksidikeramiikka on osoittautunut käyttökelpoiseksi ilmailu- ja avaruusalalla sekä tieteellisissä tutkimussovelluksissa, koska se kestää äärimmäisiä lämpötiloja.

Alumiinioksidi-sirkoniumoksidikomposiitit ovat myös erinomaisen kulutuskestäviä, joten ne ovat tärkeitä teollisissa sovelluksissa, joissa kitkaa esiintyy säännöllisesti. Tämä voi pidentää tuotteen käyttöikää ja vähentää huolto- ja seisokkikustannuksia samalla kun tuottavuus paranee.

CeramTecin BIOLOX delta -komposiittikeramiikka hyötyy siitä, että se on konsolidoitu kuumalla isostaattisella puristuksella, mikä eliminoi tyhjät tilat ja lisää sitkeyttä, mutta samalla se on helposti työstettävissä, ja sillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, kuten erinomainen taivutus- ja murtolujuus, alumiinioksidin kovuus ja työstettävyys - mikä tarjoaa leikkuuterien valmistajille erilaisia muotoja ja profiileja valittavaksi.

Erinomainen korroosionkestävyys

Koska ZTA:n valmistusprosessissa käytetään zirkoniaa, sen korroosionkestävyys on parempi kuin monoliittisen alumiinioksidikeramiikan. Tämä etu johtuu sitkeyden lisääntymisestä zirkoniaa lisäämällä; tämä puolestaan johtaa parempaan korroosionkestävyyteen; tämä mahdollistaa harvemman hajoamisen käyttöiän aikana, mikä johtaa alhaisempiin laitteiden ylläpitokustannuksiin ja pienempiin huoltokustannuksiin.

Alumiinioksidiin lisätty zirkoniumoksidi voi auttaa tekemään siitä lämpöshokin kestävää, mikä on tärkeä suorituskyvyn näkökohta, koska alumiinioksidilla on taipumus halkeilla äkillisissä korkeissa lämpötilan muutoksissa. Koska ZTA:n lujuus ja sitkeys ovat kuitenkin suuremmat kuin alumiinisen vastineensa, lämpöshokkien kestävyys paranee huomattavasti.

Zirkoniumoksidin lisääminen alumiinioksidiin voi lisätä sen kemiallista stabiilisuutta, mikä on ratkaisevan tärkeää sovelluksissa, joissa se joutuu kosketuksiin syövyttävien aineiden kanssa. Tämä lisäys voidaan saavuttaa jännityksen aiheuttamalla tetragonaalisten zirkoniumoksidihiukkasten muuttumisella monokliinisiksi zirkoniumoksidihiukkasiksi; tämä vaikutus tunnetaan nimellä dispersiovahvistus.

Kokeessa, jossa käytettiin Box-Behnken-suunnitelmaa, jossa upotusaika oli enintään 240 tuntia ja typpihapon (HNO3) eri pitoisuuksia, havaittiin, että sintratun alumiinioksidin kemiallinen stabiilisuus heikkeni HNO3-pitoisuuden kasvaessa, kun taas keramiikka osoitti parempaa kemiallista kestävyyttä alhaisemmilla HNO3-pitoisuuksilla ja lyhyemmillä upotusaikoilla.

Alumiini- ja zirkoniumoksidikeramiikka tarjoaa erinomaisen korroosionkestävyyden yhdistettynä poikkeukselliseen sitkeyteen ja taivutuslujuusominaisuuksiin, minkä ansiosta ne soveltuvat käytettäväksi erilaisissa ympäristöissä. Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA) valitaan yleensä silloin, kun lujuus-, kestävyys- ja korroosionkestävyysvaatimukset ylittävät tavanomaisen alumiinioksidikeramiikan vaatimukset; lisäksi sillä on alhaisempi lineaarinen lämpölaajenemiskerroin kuin vastaavalla alumiinioksidikeramiikalla jäähdytystarkoituksiin.

Erinomainen lämpöshokkien kestävyys

Zirkoniumoksidilla karkaistu alumiinioksidi (ZTA) on edistyksellinen komposiitti, joka tarjoaa huomattavasti suurempia lujuuksia, murtumissitkeyttä, kovuutta ja taivutuslujuutta verrattuna puhtaaseen alumiinioksidiin. Lisäksi ZTA:lla on erinomaiset sähköeristysominaisuudet ja korroosionkestävyys sekä alhainen lämpölaajenemiskerroin, mikä sopii erinomaisesti osiin, jotka vaativat mittatarkkuutta.

ZTA-jauhe, joka on valmistettu yttriumoksidistabiloidusta zirkoniumoksidipulverista, tarjoaa vaihtoehdon ATZ:lle lonkkaproteesi-implantteihin sen bioyhteensopivuuden, mekaanisten ominaisuuksien ja kemiallisen vakauden ansiosta. ZTA voi myös tarjota ratkaisuja äärimmäisille olosuhteille altistuviin komponentteihin, jotka kuluvat nopeasti kulumisen ja korroosion vuoksi, kuten laipat, holkit ja liittimet, jotka tarvitsevat suojaa kulumiselta ja korroosiolta äärimmäisille olosuhteille altistumisen vuoksi, kuten laipat. holkit tai liittimet.

Materiaalien lämpöshokkikestävyys johtuu useista tekijöistä, kuten niiden alhaisesta ominaislämpökapasiteetista ja huokoisuudesta sekä korkeasta murtumissitkeydestä ja taivutuslujuudesta. Geometrialla on myös olennainen osa lämpöshokkisuorituskykyyn - komponenttien muoto ja koko voivat riittää vähentämään niiden kestävyyttä, samoin kuin pinnan karheus ja huokostiheystekijät.

ZTA:t valmistetaan geelivalulla, jossa jauhemaista alumiinioksidia ja yttriumoksidistabiloitua zirkoniumoksidia sekoitetaan lietteeksi, joka valetaan haluttuun osaan muottiin valamalla. Kun liete on kuivunut, se joko kuivataan liuottimella tai osmoottisesti, pyrolysoidaan ja sintrataan 1550 °C:ssa tai 1650 °C:ssa jatkokäsittelyä varten ja sintrataan ZTA:n valmistamiseksi. Tämän valmistusprosessin optimoimiseksi valmistuksen aikaiset kiinteät kuormitukset; muottityyppi muotinpoisto; liuotinkuivaus joko ilmakuivaus tai liuotinkuivaus joko liuotinosmoottinen kuivaus tai ilmakuivaus; sekä vaikutukset mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten tiheys, kovuus murtumissitkeys ja taivutuslujuus, voivat kaikki vaikuttaa merkittävästi mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten tiheys, kovuus murtumissitkeys ja taivutuslujuus, sekä vaikutukset mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten tiheys, kovuus murtumissitkeys ja taivutuslujuus, sekä vaikutukset mekaanisiin ominaisuuksiin kuten tiheys, kovuus murtumissitkeys ja taivutuslujuus.

Lisää yttriumoksidistabiloitua zirkoniumoksidia lisätään alumiinioksidimatriisiin, mikä lisää murtumissitkeyttä muuntumisen, mikrosäröjen muodostumisen ja dispersiota vahvistavien prosessien kautta. Lisäksi murtumissitkeyden lisääminen lisää raudan ja ferriitin CTE-yhdenmukaisuutta, minkä vuoksi ZTA soveltuu esimerkiksi korkean lämpötilan suuttimiin, upokkaisiin, lämmityselementteihin tai jopa komponentteihin, joissa on kuparilangan eristys.