NEWS

مقدمه‌ای بر آلومینای چقرمه شده با زیرکونیا

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:

  1. 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.

  2. سخت‌کاری میکروترک‌ها

    • تبدیل فاز ZrO₂ باعث ایجاد ریزترک‌ها می‌شود که انرژی را جذب کرده و ترک‌های اصلی را منحرف می‌کنند.

  3. 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).

به بالای صفحه بردن