Zirconia härdade aluminiumoxid (ZTA) keramik är ett sammansatt material som kombinerar den höga hårdhet och slitmotståndet hos aluminiumoxid med seghet och sprickmotstånd hos zirkonien. Förhållandet mellan zirkoniumor och aluminiumoxid i ZTA -keramiska spelar en avgörande roll för att bestämma dess egenskaper, vilket i sin tur påverkar dess prestanda i olika applikationer. Som en ZTA -keramisk leverantör har jag bevittnat första hand effekterna av detta förhållande på kvaliteten och funktionaliteten hos våra produkter. I den här bloggen kommer jag att fördjupa hur Zirconia -aluminiumoxidförhållandet påverkar egenskaperna hos ZTA -keramik.
Mekaniska egenskaper
Hårdhet
Alumina är känd för sin höga hårdhet. När andelen aluminiumoxid i ZTA -keramik är relativt hög tenderar materialets totala hårdhet att vara större. Ett högre aluminiumoxidinnehåll ger en styv matris som motstår intryck och repor. Till exempel i applikationer där nötningsresistens är av yttersta vikt, till exempelZTA keramiska plattorAnvänds i industriella golv med hög trafik kan en ZTA -keramik med ett högre aluminiumoxidförhållande tåla kontinuerligt slitage bättre. Alumina -korn fungerar som hårda partiklar som effektivt kan motstå de slipande krafterna som utövas genom att flytta föremål eller partiklar.
Men när zirkoniuminnehållet ökar kan hårdheten minska något. Zirconia har en lägre hårdhet jämfört med aluminiumoxid. Men denna minskning av hårdhet kompenseras ofta av den betydande förbättringen av andra mekaniska egenskaper såsom seghet.
Seghet
Zirconia bidrar till härdningen av ZTA -keramik genom en mekanism som kallas transformations härdning. När en spricka sprids genom keramiken kan zirkoniumpartiklarna genomgå en fasomvandling från den tetragonala fasen till den monokliniska fasen. Denna fasomvandling åtföljs av en volymutvidgning, vilket skapar tryckspänningar runt sprickspetsen. Dessa tryckspänningar hindrar den ytterligare förökningen av sprickan och därmed ökar materialets seghet.
När förhållandet mellan zirkoniumor och aluminiumoxid ökar ökar också mängden zirkonier som finns för transformationsträckning. Detta leder till en betydande förbättring av ZTA -keramikens fraktur. I skärverktygsapplikationer kan till exempel en ZTA -keramik med ett högre zirkoniuminnehåll bättre tåla de höga stressförhållandena under skärning, vilket minskar sannolikheten för verktygssvikt på grund av sprickbildning.
Styrka
Styrkan hos ZTA -keramik påverkas också av Zirconia -aluminiumoxidförhållandet. En korrekt balans mellan de två komponenterna krävs för att uppnå optimal styrka. Vid ett lågt zirkoniuminnehåll bestäms styrkan huvudsakligen av aluminiumoxidmatrisen. Närvaron av en liten mängd zirkonium kan emellertid förbättra styrkan genom att fungera som en korn - tillväxtinhibitor, vilket förhindrar tillväxt av stora aluminiumoxidkorn som kan fungera som svaga punkter i materialet.
När zirkoniuminnehållet ökar kan styrkan initialt öka på grund av den härdande effekten av zirkoniet. Men om zirkoniuminnehållet blir för högt kan materialet bli mer poröst, och bindningen mellan kornen kan försvagas, vilket leder till en minskning av styrka.
Termiska egenskaper
Termisk konduktivitet
Alumina har relativt hög värmeledningsförmåga jämfört med zirkonium. När aluminiumoxidinnehållet i ZTA -keramiken ökar ökar också materialets övergripande värmeledningsförmåga. Den här egenskapen är viktig i applikationer där värmespridning krävs. Till exempel, i elektronisk förpackning, kan en ZTA -keramik med högre aluminiumoxidinnehåll mer effektivt överföra värme bort från de elektroniska komponenterna, vilket förhindrar överhettning.
Å andra sidan har Zirconia en låg värmeledningsförmåga. Ett högre zirkoniuminnehåll i ZTA -keramik kan vara fördelaktigt i applikationer där termisk isolering behövs. Till exempel kan en ZTA -keramik med ett relativt högt zirkoniuminnehåll i vissa höga temperaturugn -foder med ett relativt högt zirkoniuminnehåll bidra till att minska värmeförlusten.
Termisk expansion
Den termiska expansionskoefficienten för ZTA -keramik påverkas också av Zirconia -aluminiumoxidförhållandet. Alumina har en lägre värmeutvidgningskoefficient jämfört med zirkonium. När aluminiumoxidinnehållet är högt kommer ZTA -keramiken att ha en lägre termisk expansionskoefficient. Detta är viktigt i applikationer där dimensionell stabilitet vid olika temperaturer är avgörande. I precisionskomponenter kan till exempel en ZTA -keramik med en låg termisk expansionskoefficient bibehålla sin form och dimensioner exakt över ett brett temperaturområde.
Kemiska egenskaper
Kemisk motstånd
Både aluminiumoxid och zirkonium har god kemisk resistens. Alumina är resistent mot många syror och alkalier, medan zirkoniet också visar utmärkt kemisk stabilitet i olika miljöer. Den kemiska resistensen för ZTA -keramik är i allmänhet hög och påverkas inte signifikant av zirkoniumtaxeln inom ett rimligt intervall. I vissa specifika kemiska miljöer kan emellertid valet av förhållandet påverkas av komponenternas reaktivitet. I en sur miljö där zirkonium kan till exempel vara mer stabil än aluminiumoxid kan ett högre zirkoniuminnehåll föredras.
Elektriska egenskaper
Elektrisk isolering
Alumina är en välkänd elektrisk isolator. Zirconia har också goda elektriska isoleringsegenskaper. Den elektriska isoleringen av ZTA -keramik bestäms huvudsakligen av egenskaperna hos de enskilda komponenterna. Ett högre aluminiumoxidinnehåll leder i allmänhet till bättre elektrisk isolering. I elektriska isoleringsapplikationer, såsom i högspänningskraftssystem, kan en ZTA -keramik med ett högt aluminiumoxidförhållande ge tillförlitlig elektrisk isolering.
Slitbidrag
Slitmotståndet för ZTA -keramik är en komplex funktion av dess mekaniska och mikrostrukturella egenskaper, som påverkas av zirkoniume -aluminiumoxidförhållandet. En keramik med hög aluminiumoxid ZTA erbjuder god slipande slitstyrka på grund av dess höga hårdhet. Men i applikationer där limslitage är mer framträdande kan en ZTA -keramik med ett högre zirkoniuminnehåll vara mer lämpligt. Den förbättrade segheten som tillhandahålls av Zirconia kan förhindra frigöring av material under limslitage, vilket resulterar i bättre total slitstyrka.
Applikationer och det optimala förhållandet
Det optimala zirkoniume -aluminiumoxidförhållandet beror på de specifika applikationskraven. För applikationer som kräver hög hårdhet och slitmotstånd, såsom keramiska plattor och kullager, kan en ZTA -keramik med ett relativt högt aluminiumoxidinnehåll (t.ex. 90 - 95% aluminiumoxid och 5 - 10% zirkoniumor) föredras.
I applikationer där seghet och sprickmotstånd är kritiska, såsom skärverktyg och tandimplantat, är en ZTA -keramik med ett högre zirkoniuminnehåll (t.ex. 20 - 30% zirkoniume och 70 - 80% aluminiumoxid) mer lämplig.
Som en ZTA -keramisk leverantör kan vi erbjuda ett brett utbud av ZTA -keramiska produkter med olika zirkoniumeförhållanden för att tillgodose våra kunders olika behov. Oavsett om du är inom industriell, medicinsk eller konsumentvarusektor har vi expertis och resurser för att ge dig rätt ZTA -keramisk lösning.
Om du är intresserad av våra ZTA -keramiska produkter eller vill diskutera dina specifika krav, inbjuder vi dig att kontakta oss för en upphandlingskonsult. Vårt team av experter är redo att hjälpa dig att välja den mest lämpliga ZTA -keramiken baserat på Zirconia -aluminiumoxidförhållandet och andra egenskaper.
Referenser
- RF Davis, "Zirconia härdade aluminiumoxid: Bearbetning, mikrostruktur och mekaniska egenskaper", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 72, nr 10, 1989.
- Y. - W. Mai och B. Cotterell, "Mechanics of Transformation - Touged Ceramics," Journal of Materials Science, Vol. 17, nr 11, 1982.
- MN Rahaman, "Keramisk bearbetning och sintring," Second Edition, CRC Press, 2003.