Allumina temprata con zirconio (ZTA)

L'allumina temprata di zirconio (ZTA) è una ceramica tecnica eccezionalmente dura con un'eccezionale resistenza alla corrosione e stabilità dimensionale, che la rende adatta ad applicazioni portanti come impianti ortopedici e componenti dentali.

Lo ZTA viene creato mescolando particelle di zirconia non stabilizzata in una matrice di allumina, dove la sua presenza inibisce la transizione di fase dell'ossido di zirconio tetragonale metastabile nella sua forma cubica sfavorevole, migliorando così la tenacità e la resistenza alla frattura.

Elevata resistenza e robustezza

L'allumina temprata di zirconio (ZTA) è un materiale ceramico estremamente resistente, con la stessa durata e le stesse qualità isolanti dell'allumina normale, ma con una notevole resistenza. Questa combinazione rende lo ZTA ideale per l'uso in una serie di applicazioni di apparecchiature industriali e in ambienti ad alta temperatura, come quelli presenti in industrie come quella farmaceutica. Inoltre, lo ZTA vanta una resistenza alla corrosione superiore a quella dell'allumina normale, con temperature fino a 1773 K, il che lo rende adatto alle apparecchiature utilizzate in ambienti difficili o impegnativi; inoltre, vanta un basso coefficiente di espansione termica che rende la stabilità dimensionale essenziale in queste situazioni impegnative.

Lo ZTA si ottiene mescolando l'allumina con la zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ) o con la zirconia non stabilizzata (UNZ). Il risultato è un materiale composito molto più resistente di uno dei due materiali da solo e con una tenacità alla frattura superiore rispetto ai materiali in allumina standard, che rende lo ZTA una scelta eccellente per le applicazioni che richiedono resistenza e durata, come gli accoppiamenti negli interventi di sostituzione dell'anca.

Lo ZTA raggiunge la sua tenacità alla frattura attraverso la tempra di trasformazione, in cui le particelle di zirconia in un composito passano da strutture cristalline tetragonali a monoclinali quando sono sottoposte a stress, provocando compressione e attrito contro una matrice di allumina che aumenta significativamente la tenacità alla frattura del materiale. Questa caratteristica rende lo ZTA particolarmente adatto ad applicazioni strutturali, come l'uso in componenti industriali o aerospaziali.

I componenti ZTA prodotti con zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ) raggiungono spesso livelli di tenacità più elevati grazie alla capacità di resistere a condizioni più estreme rispetto all'allumina non stabilizzata, come le temperature più elevate. Inoltre, questo materiale possiede una stabilità chimica e una resistenza all'usura superiori rispetto alla sua controparte non stabilizzata.

L'YSZ può anche essere combinato con allumina non stabilizzata per produrre un materiale composito ancora più resistente e duro, noto come ATZ. I compositi ATZ sono diventati il materiale di riferimento per le moderne protesi d'anca; un esempio popolare è BIOLOX delta di CeramTec, che funge sia da sfera che da cotile.

L'eccellente tenacità alla frattura e la resistenza dell'allumina zirconica ne fanno un materiale eccellente per la produzione di cuscinetti, distanziali e altre parti meccaniche che devono sopportare elevati livelli di stress. Inoltre, la sua rigidità specifica contribuisce alla realizzazione di progetti leggeri, aggiungendo caratteristiche di leggerezza.

Eccellente isolamento elettrico

La ceramica di zirconio presente nella matrice ZTA offre un eccellente isolamento elettrico e tolleranza alla temperatura, rendendola adatta alle apparecchiature che devono sopportare intensi processi industriali. Inoltre, questo materiale vanta un'eccezionale resistenza alla corrosione chimica in ambienti difficili.

La combinazione di allumina e zirconia crea un materiale ceramico estremamente versatile, che non ha nulla da invidiare alle singole proprietà. L'allumina fornisce durezza e tenacità, mentre l'ossido di zirconio rafforza la tenacità e la resistenza agli shock termici, creando un materiale straordinariamente versatile con applicazioni illimitate.

Un esempio è dato dal crescente uso di compositi di allumina-zirconia nelle protesi d'anca, dove l'aggiunta di YSZ consente di ottenere combinazioni ottimali di durezza, tenacità alla frattura e resistenza alla flessione nei materiali degli accoppiamenti di queste protesi. Di conseguenza, questi materiali creano soluzioni forti e durature, con un movimento dell'anca più naturale rispetto ai materiali alternativi.

Le ceramiche di zirconio trovano impiego in numerose applicazioni, in particolare quelle che richiedono un'elevata resistenza agli shock termici o un'esatta corrispondenza CTE con componenti in ferro o ferrite, come ugelli ad alta temperatura, crogioli ed elementi riscaldanti. Inoltre, le ceramiche di zirconio si sono dimostrate utili nelle applicazioni aerospaziali e di ricerca scientifica, grazie alla loro capacità di tollerare temperature estreme.

I compositi di allumina-zirconia vantano anche un'eccellente resistenza all'usura, che li rende un elemento essenziale nelle applicazioni industriali in cui l'attrito si verifica regolarmente. In questo modo è possibile prolungare la durata del prodotto e ridurre i costi di manutenzione e i tempi di inattività, migliorando al contempo la produttività.

Le ceramiche composite BIOLOX delta di CeramTec beneficiano del consolidamento mediante pressatura isostatica a caldo, eliminando i vuoti e aumentando la tenacità, e allo stesso tempo sono facilmente lavorabili per ottenere proprietà meccaniche superiori con un'eccellente tenacità alla flessione e alla frattura, durezza dell'allumina e lavorabilità, offrendo ai produttori di lame da taglio una gamma di forme e profili tra cui scegliere.

Eccellente resistenza alla corrosione

Poiché ZTA utilizza la zirconia durante il suo processo di produzione, offre una resistenza alla corrosione superiore rispetto alle ceramiche monolitiche di allumina. Questo vantaggio deriva dall'aumento della tenacità dovuto all'aggiunta di zirconia, che a sua volta porta a una maggiore resistenza alla corrosione; ciò consente un degrado meno frequente durante la vita utile, con conseguenti minori costi di manutenzione delle apparecchiature e minori spese di assistenza.

L'aggiunta di zirconia all'allumina può contribuire a renderla resistente agli shock termici, un aspetto importante delle prestazioni in quanto l'allumina ha la tendenza a rompersi in caso di improvvisi cambiamenti di temperatura. Ma grazie alla maggiore forza e tenacità dello ZTA rispetto alla sua controparte in alluminio, la resistenza agli shock termici aumenta drasticamente.

L'aggiunta di zirconia all'allumina può aumentarne la stabilità chimica, che è fondamentale nelle applicazioni in cui viene a contatto con sostanze corrosive. Questo aumento può essere ottenuto attraverso la trasformazione indotta dalle sollecitazioni delle particelle di zirconia tetragonale in particelle di zirconia monoclinica; un effetto noto come rafforzamento della dispersione.

Un esperimento condotto utilizzando un disegno Box-Behnken con tempi di immersione fino a 240 ore e varie concentrazioni di acido nitrico (HNO3) ha rilevato che la stabilità chimica dell'allumina sinterizzata diminuisce con l'aumentare della concentrazione di HNO3, mentre la ceramica ha dimostrato una migliore resistenza chimica a livelli più bassi di HNO3 e con tempi di immersione più brevi.

Le ceramiche a base di allumina e zirconia offrono un'eccellente resistenza alla corrosione combinata con eccezionali proprietà di tenacità e resistenza alla flessione, che le rendono adatte all'uso in vari ambienti. L'allumina temprata con zirconio (ZTA) viene scelta in genere quando i requisiti di resistenza, durevolezza e resistenza alla corrosione superano quelli delle ceramiche di allumina standard; inoltre, presenta coefficienti di espansione termica lineare inferiori rispetto alle ceramiche di allumina omologhe per il raffreddamento.

Eccellente resistenza agli shock termici

L'allumina temprata con zirconio (ZTA) è un composito avanzato che offre una resistenza, una tenacità alla frattura, una durezza e una resistenza alla flessione significativamente maggiori rispetto all'allumina pura. Inoltre, lo ZTA vanta eccellenti proprietà di isolamento elettrico e resistenza alla corrosione, nonché un basso coefficiente di espansione termica, perfetto per i componenti che richiedono stabilità dimensionale.

La polvere ZTA, prodotta con polvere di zirconia stabilizzata con ittrio, rappresenta un'alternativa all'ATZ per gli impianti di protesi d'anca, grazie alla sua biocompatibilità, alle proprietà meccaniche e alla stabilità chimica. Lo ZTA può anche fornire soluzioni per i componenti esposti a condizioni estreme che si consumano rapidamente a causa dell'usura e della corrosione, come flange, manicotti e connettori che richiedono una protezione dall'usura e dalla corrosione dovuta all'esposizione a condizioni estreme, come flange. manicotti o connettori.

La resistenza agli shock termici nei materiali deriva da una combinazione di fattori, tra cui la bassa capacità termica specifica e la porosità, nonché l'elevata tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione. Anche la geometria gioca un ruolo fondamentale nella prestazione agli shock termici: la forma e le dimensioni dei componenti possono essere sufficienti a ridurne la resistenza, così come la rugosità superficiale e la densità dei pori.

Gli ZTA sono prodotti mediante gel casting, in cui polveri di allumina e polvere di zirconia stabilizzata con ittrio vengono mescolate per formare un impasto che viene colato nella parte desiderata mediante stampaggio. Una volta che l'impasto si è asciugato, viene essiccato con solventi, essiccato per osmosi, pirolizzato e sinterizzato rispettivamente a 1550 e 1650 °C per un'ulteriore lavorazione e sinterizzato per produrre ZTA. Per ottimizzare questo processo di fabbricazione, i carichi solidi durante la preparazione, il tipo di stampaggio, l'essiccamento con solvente o con aria rispetto all'essiccamento con solvente o con osmosi rispetto all'essiccamento con aria, nonché gli effetti sulle proprietà meccaniche come la densità, la durezza, la tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione possono avere un profondo impatto sulle proprietà meccaniche come la densità, la durezza, la tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione di queste proprietà meccaniche come la densità, la durezza, la tenacità alla frattura e la resistenza alla flessione.

L'aggiunta di una maggiore quantità di ossido di zirconio stabilizzato a una matrice di allumina aumenta la tenacità alla frattura attraverso processi di trasformazione, formazione di microcricche e rafforzamento della dispersione. Inoltre, l'aumento della tenacità alla frattura aumenta la corrispondenza del CTE tra ferro e ferrite, rendendo lo ZTA adatto ad applicazioni come ugelli ad alta temperatura, crogioli, elementi riscaldanti o persino componenti che ospitano l'isolamento di fili di rame.