مقدمهای بر آلومینای چقرمه شده با زیرکونیا (ZTA)
آلومینای چقرمهشده با زیرکونیا (ZTA) یک کامپوزیت سرامیکی پیشرفته است که سختی و مقاومت سایشی بالای آلومینا (Al₂O₃) را با چقرمگی شکست برتر زیرکونیا (ZrO₂) ترکیب میکند . ZTA با ترکیب ذرات ZrO₂ در ماتریس Al₂O₃ ، به تعادل بینظیری از استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر ترک دست مییابد و آن را برای کاربردهای مهندسی و زیستپزشکی دشوار مناسب میسازد.
۱. ترکیب و ساختار
-
ماتریس: آلومینا (Al₂O₃، 70-90 درصد وزنی) – سختی و پایداری شیمیایی را فراهم میکند.
-
فاز سختسازی: زیرکونیا (ZrO₂، 10-30 درصد وزنی) – از طریق سختسازی تبدیل فازی، چقرمگی شکست را افزایش میدهد .
-
پایدارکنندهها (اختیاری): Y₂O₃، CeO₂ یا MgO ممکن است برای کنترل پایداری فاز ZrO₂ اضافه شوند.
ویژگیهای ریزساختاری:
-
ذرات ریز ZrO₂ (معمولاً کمتر از ۱ میکرومتر) که در ماتریس Al₂O₃ پراکنده شدهاند.
-
ZrO₂ چهاروجهی (t-ZrO₂) در دمای اتاق نیمهپایدار باقی میماند و امکان تبدیل فاز ناشی از تنش را فراهم میکند.
۲. خواص و مزایای کلیدی
ملک | زد تی ای | خالص Al₂O₃ | ZrO₂ خالص |
---|---|---|---|
سختی (HV) | ۱۶۰۰-۲۰۰۰ | ۱۸۰۰-۲۲۰۰ | ۱۲۰۰-۱۴۰۰ |
چقرمگی شکست (K IC ، MPa · m 1/2 ) | ۵-۱۰ | ۳-۴ | ۶-۱۲ |
استحکام خمشی (مگاپاسکال) | ۵۰۰-۱۰۰۰ | ۳۰۰-۵۰۰ | ۸۰۰-۱۲۰۰ |
مقاومت در برابر شوک حرارتی | بالا | متوسط | بسیار بالا |
هزینه | متوسط | کم | بالا |
چرا ZTA را انتخاب کنیم؟
✔ چقرمگی بالاتر از Al₂O₃ (شکنندگی کمتر، مقاومت بیشتر در برابر ضربه)
✔ سختی بالاتر از ZrO₂ (مقاومت بهتر در برابر سایش)
✔ پایداری حرارتی و شیمیایی خوب (مناسب برای محیطهای خشن)
✔ جایگزین مقرون به صرفه برای ZrO₂ خالص
۳. مکانیسمهای سختکاری
مقاومت بهبود یافتهی ZTA در برابر شکستگی به دلایل زیر است:
-
سختکاری دگرگونی
-
تحت تنش، انتقال فاز ZrO2 چهارضلعی (t-ZrO2) → مونوکلینیک ZrO2 (m-ZrO2) رخ می دهد که باعث انبساط حجمی ~ 4٪ می شود.
-
این امر باعث ایجاد تنشهای فشاری در اطراف نوک ترکها شده و مانع از انتشار ترک میشود.
-
-
سختکاری میکروترکها
-
تبدیل فاز ZrO₂ باعث ایجاد ریزترکها میشود که انرژی را جذب کرده و ترکهای اصلی را منحرف میکنند.
-
-
اثرات تنش پسماند
-
عدم تطابق انبساط حرارتی بین Al₂O₃ و ZrO₂ باعث ایجاد تنشهای پسماند مفید میشود.
-
۴. کاربردهای ZTA
به دلیل خواص متعادل، ZTA در موارد زیر استفاده میشود:
(1) ابزارهای برش و قطعات سایشی
-
اینسرتها برای ماشینکاری، ابزار سنگزنی، قالبهای کشش سیم.
-
از نظر مقاومت در برابر ضربه، برتر از Al₂O₃ است.
(2) ایمپلنتهای زیستپزشکی
-
تعویض مفصل ران و زانو (جایگزینی برای ZrO₂ خالص).
-
روکش دندان و ایمپلنت.
(3) قطعات صنعتی و سازهای
-
یاتاقانها، آببندها، شیرآلات مقاوم در برابر دمای بالا.
-
زره بالستیک (مقاومت بهتر از Al₂O₃).
(4) الکترونیک و انرژی
-
زیرلایهها برای حسگرها، عایقها.
-
اجزای تشکیل دهنده پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC).