Alumine durcie à la zircone (ZTA)

L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) est une céramique technique exceptionnellement dure qui présente une résistance à la corrosion et une stabilité dimensionnelle remarquables, ce qui la rend bien adaptée aux applications porteuses telles que les implants orthopédiques et les composants dentaires.

Le ZTA est créé en mélangeant des particules de zircone non stabilisées dans une matrice d'alumine, où sa présence empêche la zircone tétragonale métastable de passer à sa forme cubique défavorable, améliorant ainsi la ténacité et la résistance à la rupture.

Résistance et robustesse élevées

L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) est un matériau céramique extrêmement durable qui possède les qualités de durabilité et d'isolation de l'alumine ordinaire, tout en étant nettement plus résistant. Cette combinaison fait du ZTA un matériau idéal pour toute une série d'applications d'équipements industriels ainsi que pour les environnements à haute température tels que ceux que l'on trouve dans des industries comme l'industrie pharmaceutique. En outre, le ZTA présente une résistance à la corrosion supérieure à celle de l'alumine ordinaire, à des températures allant jusqu'à 1773 K, ce qui le rend adapté aux équipements utilisés dans des environnements difficiles ; de plus, il présente un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui rend la stabilité dimensionnelle essentielle dans ces situations exigeantes.

Le ZTA est fabriqué en mélangeant de l'alumine avec de la zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ) ou de la zircone non stabilisée (UNZ). Il en résulte un matériau composite qui est beaucoup plus résistant que l'un ou l'autre de ces matériaux pris isolément et qui présente une résistance à la rupture supérieure à celle des matériaux d'alumine standard - ce qui fait du ZTA un excellent choix de matériau pour les applications exigeant à la fois résistance et durabilité, telles que les couples de paliers dans les chirurgies de remplacement de la hanche.

Le ZTA atteint sa ténacité à la rupture grâce à la trempe par transformation, dans laquelle les particules de zircone d'un composite passent d'une structure cristalline tétragonale à une structure cristalline monoclinique lorsqu'elles sont soumises à une contrainte, ce qui entraîne une compression et une friction contre une matrice d'alumine qui augmente de manière significative la ténacité à la rupture du matériau. Cette caractéristique rend le ZTA particulièrement adapté aux applications structurelles, telles que les composants industriels ou aérospatiaux.

Les composants ZTA fabriqués à partir de zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ) atteignent souvent des niveaux de ténacité plus élevés en raison de leur capacité à résister à des conditions plus extrêmes que l'alumine non stabilisée, notamment à des températures plus élevées. En outre, ce matériau possède une stabilité chimique et une résistance à l'usure supérieures à celles de son homologue non stabilisé.

L'YSZ peut également être combiné avec de l'alumine non stabilisée pour produire un matériau composite encore plus solide et résistant, connu sous le nom d'ATZ. Les composites ATZ sont devenus le matériau de prédilection pour les opérations modernes de remplacement de la hanche ; un exemple populaire est BIOLOX delta de CeramTec, qui sert à la fois de bille et de cupule.

L'excellente ténacité à la rupture et la résistance de l'alumine renforcée à la zircone en font un excellent matériau pour produire des roulements, des entretoises et d'autres pièces mécaniques qui doivent résister à des niveaux élevés de contrainte. En outre, sa rigidité spécifique contribue à l'allègement des conceptions en ajoutant des caractéristiques de légèreté.

Excellente isolation électrique

La céramique de zircone contenue dans la matrice ZTA offre une excellente isolation électrique et une tolérance à la température, ce qui la rend adaptée aux équipements qui doivent résister à des processus industriels intenses. En outre, ce matériau présente une résistance exceptionnelle à la corrosion chimique dans les environnements difficiles.

L'association de l'alumine et de la zircone crée un matériau céramique extrêmement polyvalent, dont les propriétés individuelles n'ont rien à envier aux autres. L'alumine apporte dureté et résistance, tandis que la zircone renforce la ténacité et la résistance aux chocs thermiques, créant ainsi un matériau extraordinairement polyvalent aux applications illimitées.

L'ajout d'YSZ permet d'obtenir des combinaisons optimales de dureté, de résistance à la fracture et de résistance à la flexion dans les matériaux du couple porteur de ces prothèses. En conséquence, ces matériaux créent des solutions solides mais durables avec un mouvement de la hanche plus naturel que les matériaux alternatifs.

Les céramiques de zircone sont utilisées dans de nombreuses applications, en particulier celles qui exigent une résistance élevée aux chocs thermiques ou une correspondance exacte avec les composants en fer ou en ferrite, tels que les buses à haute température, les creusets et les éléments chauffants. En outre, les céramiques de zircone se sont avérées utiles dans les applications aérospatiales et de recherche scientifique en raison de leurs capacités de tolérance aux températures extrêmes.

Les composites alumine-zircone présentent également une excellente résistance à l'usure, ce qui les rend indispensables dans les applications industrielles où les frottements sont fréquents. Ils peuvent ainsi prolonger la durée de vie des produits tout en réduisant les coûts de maintenance et d'immobilisation et en améliorant simultanément la productivité.

Les céramiques composites BIOLOX delta de CeramTec sont consolidées par pressage isostatique à chaud, ce qui permet d'éliminer les vides et d'augmenter la résistance, tout en étant facilement usinables. Elles présentent des propriétés mécaniques supérieures avec une excellente résistance à la flexion et à la rupture, une dureté de l'alumine, tout en étant usinables, ce qui permet aux fabricants de lames de coupe de disposer d'une gamme de formes et de profils à choisir.

Excellente résistance à la corrosion

L'utilisation de zircone dans le processus de fabrication du ZTA lui confère une résistance à la corrosion supérieure à celle des céramiques d'alumine monolithiques. Cet avantage provient de l'augmentation de la ténacité due à l'ajout de zircone, qui entraîne à son tour une plus grande résistance à la corrosion, ce qui permet une dégradation moins fréquente au cours de la durée de vie, d'où une réduction des coûts d'entretien de l'équipement et des dépenses de maintenance.

La zircone ajoutée à l'alumine peut contribuer à la rendre résistante aux chocs thermiques, un aspect important de la performance car l'alumine a tendance à se fissurer sous l'effet de changements soudains de température. Mais grâce à la résistance et à la ténacité accrues du ZTA par rapport à son homologue en aluminium, la résistance aux chocs thermiques augmente considérablement.

L'ajout de zircone à l'alumine peut augmenter sa stabilité chimique, ce qui est crucial dans les applications où elle entre en contact avec des milieux corrosifs. Cette augmentation peut être obtenue par la transformation sous contrainte de particules de zircone tétragonale en particules de zircone monoclinique, un effet connu sous le nom de renforcement de la dispersion.

Une expérience menée à l'aide d'un plan de Box-Behnken avec des durées d'immersion allant jusqu'à 240 heures et différentes concentrations d'acide nitrique (HNO3) a révélé que la stabilité chimique de l'alumine frittée diminuait avec l'augmentation de la concentration de HNO3, tandis que les céramiques présentaient une meilleure résistance chimique à des niveaux de HNO3 inférieurs et avec des durées d'immersion plus courtes.

Les céramiques d'alumine et de zircone offrent une excellente résistance à la corrosion associée à des propriétés exceptionnelles de ténacité et de résistance à la flexion, ce qui permet de les utiliser dans divers environnements. L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) est généralement choisie lorsque les exigences en matière de résistance, de durabilité et de résistance à la corrosion dépassent celles des céramiques d'alumine standard ; en outre, elle présente des coefficients de dilatation thermique linéaire inférieurs à ceux des céramiques d'alumine, ce qui permet de la refroidir.

Excellente résistance aux chocs thermiques

L'alumine renforcée à la zircone (ZTA) est un composite avancé qui offre une résistance, une ténacité à la rupture, une dureté et une résistance à la flexion nettement supérieures à celles de l'alumine pure. En outre, le ZTA présente d'excellentes propriétés d'isolation électrique et de résistance à la corrosion, ainsi qu'un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui est parfait pour les pièces nécessitant une stabilité dimensionnelle.

La poudre de ZTA, produite à partir de poudre de zircone stabilisée à l'yttrium, constitue une alternative à l'ATZ pour les implants de remplacement de la hanche en raison de sa biocompatibilité, de ses propriétés mécaniques et de sa stabilité chimique. ZTA peut également fournir des solutions pour les composants exposés à des conditions extrêmes qui s'usent rapidement en raison de l'usure et de la corrosion, tels que les brides, les manchons et les connecteurs qui nécessitent une protection contre l'usure et la corrosion en raison de l'exposition à des conditions extrêmes, tels que les brides, les manchons ou les connecteurs.

La résistance aux chocs thermiques des matériaux résulte d'une combinaison de facteurs, notamment leur faible capacité thermique spécifique et leur porosité, ainsi que leur grande ténacité à la rupture et leur résistance à la flexion. La géométrie joue également un rôle essentiel dans la résistance aux chocs thermiques : la forme et la taille des composants peuvent suffire à réduire leur résistance, tout comme la rugosité de la surface et la densité des pores.

Les ZTA sont fabriqués par coulée en gel, dans laquelle des poudres d'alumine et de zircone stabilisée à l'yttrium sont mélangées pour former une boue qui est coulée dans la partie souhaitée par moulage. Une fois la suspension séchée, elle est soit séchée par solvant, soit séchée par osmose, soit pyrolysée et frittée à 1550 degrés Celsius et 1650 degrés Celsius respectivement pour un traitement ultérieur et frittée pour produire de la ZTA. Pour optimiser ce processus de fabrication, les charges solides au cours de la préparation, le type de moulage, le séchage au solvant et le séchage à l'air par rapport au séchage au solvant et le séchage osmotique par rapport au séchage à l'air, ainsi que les effets sur les propriétés mécaniques telles que la densité, la dureté, la ténacité à la rupture et la résistance à la flexion, peuvent tous avoir un impact profond sur les propriétés mécaniques telles que la densité, la dureté, la ténacité à la rupture et la résistance à la flexion de ces propriétés mécaniques telles que la densité, la dureté, la ténacité à la rupture et la résistance à la flexion.

L'ajout d'une plus grande quantité de zircone stabilisée à l'yttrium à une matrice d'alumine augmente la résistance à la rupture grâce aux processus de transformation, de formation de microfissures et de renforcement de la dispersion. En outre, l'augmentation de la résistance à la rupture accroît la correspondance entre le fer et la ferrite, ce qui rend le ZTA approprié pour des applications telles que les buses à haute température, les creusets, les éléments chauffants ou même les composants contenant l'isolation des fils de cuivre.