Введение в циркониевый упрочненный оксид алюминия (ZTA)
Упрочнённый оксид алюминия (ZTA) на основе циркония — это современный керамический композит, сочетающий в себе высокую твёрдость и износостойкость оксида алюминия (Al₂O₃) с превосходной вязкостью разрушения диоксида циркония (ZrO₂) . Благодаря включению частиц ZrO₂ в матрицу Al₂O₃ , ZTA достигает уникального баланса механической прочности, термической стабильности и трещиностойкости, что делает его пригодным для использования в сложных инженерных и биомедицинских приложениях.
1. Состав и структура
-
Матрица: оксид алюминия (Al₂O₃, 70-90 мас.%) – обеспечивает твердость и химическую стабильность.
-
Упрочняющая фаза: цирконий (ZrO₂, 10–30 мас.%) — повышает вязкость разрушения за счет упрочнения фазовым превращением .
-
Стабилизаторы (необязательно): Y₂O₃, CeO₂ или MgO могут быть добавлены для контроля стабильности фазы ZrO₂.
Микроструктурные особенности:
-
Мелкие частицы ZrO₂ (обычно <1 мкм), диспергированные в матрице Al₂O₃.
-
Тетрагональный ZrO₂ (t-ZrO₂) остается метастабильным при комнатной температуре, что позволяет проводить фазовые превращения под действием напряжений.
2. Основные свойства и преимущества
| Свойство | ЗТА | Чистый Al₂O₃ | Чистый ZrO₂ |
|---|---|---|---|
| Твердость (HV) | 1600-2000 | 1800-2200 | 1200-1400 |
| Вязкость разрушения (K <sub> IC </sub> , МПа·м <sup> 1/2 </sup> ) | 5-10 | 3-4 | 6-12 |
| Прочность на изгиб (МПа) | 500-1000 | 300-500 | 800-1200 |
| Стойкость к тепловому удару | Высокий | Умеренный | Очень высокий |
| Расходы | Умеренный | Низкий | Высокий |
Почему стоит выбрать ZTA?
✔ Более высокая прочность, чем у Al₂O₃ (менее хрупкий, более ударопрочный)
✔ Более высокая твердость, чем у ZrO₂ (лучшая износостойкость)
✔ Хорошая термическая и химическая стабильность (подходит для суровых условий)
✔ Экономичная альтернатива чистому ZrO₂
3. Механизмы ужесточения
Повышенная устойчивость ZTA к разрушению обусловлена:
-
Трансформация Усиление
-
Под напряжением происходит фазовый переход тетрагональный ZrO₂ (t-ZrO₂) → моноклинный ZrO₂ (m-ZrO₂) , вызывающий объемное расширение на ~ 4%.
-
Это создает сжимающие напряжения вокруг вершин трещин, препятствующие их распространению.
-
-
Упрочнение микротрещин
-
Фазовое превращение ZrO₂ приводит к образованию микротрещин, которые поглощают энергию и отклоняют основные трещины.
-
-
Эффекты остаточного напряжения
-
Несоответствие теплового расширения Al₂O₃ и ZrO₂ создает полезные остаточные напряжения.
-
4. Применение ZTA
Благодаря своим сбалансированным свойствам ZTA применяется в:
(1) Режущие инструменты и изнашиваемые детали
-
Вставки для механической обработки, шлифовальные круги, волочильные фильеры.
-
Превосходит Al₂O₃ по ударопрочности.
(2) Биомедицинские имплантаты
-
Замена тазобедренного и коленного суставов (альтернатива чистому ZrO₂).
-
Зубные коронки и имплантаты.
(3) Промышленные и структурные компоненты
-
Высокотемпературные подшипники, уплотнения, клапаны.
-
Баллистическая броня (более высокая прочность, чем у Al₂O₃).
(4) Электроника и энергетика
-
Подложки для датчиков, изоляторы.
-
Компоненты твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
