Giới thiệu về Zirconia Toughened Alumina (ZTA)
Zirconia Toughened Alumina (ZTA) là vật liệu gốm composite tiên tiến kết hợp độ cứng và khả năng chống mài mòn cao của alumina (Al₂O₃) với độ bền gãy vượt trội của zirconia (ZrO₂) . Bằng cách kết hợp các hạt ZrO₂ vào nền Al₂O₃ , ZTA đạt được sự cân bằng độc đáo giữa độ bền cơ học, độ ổn định nhiệt và khả năng chống nứt, phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật và y sinh đòi hỏi khắt khe.
1. Thành phần & Cấu trúc
-
Ma trận: Nhôm oxit (Al₂O₃, 70-90 wt%) – cung cấp độ cứng và độ ổn định hóa học.
-
Giai đoạn tôi luyện: Zirconia (ZrO₂, 10-30 wt%) – tăng cường độ bền gãy thông qua quá trình tôi luyện chuyển pha .
-
Chất ổn định (Tùy chọn): Có thể thêm Y₂O₃, CeO₂ hoặc MgO để kiểm soát độ ổn định của pha ZrO₂.
Đặc điểm cấu trúc vi mô:
-
Các hạt ZrO₂ mịn (thường <1 µm) phân tán trong ma trận Al₂O₃.
-
ZrO₂ tứ phương (t-ZrO₂) vẫn duy trì trạng thái bán ổn định ở nhiệt độ phòng, cho phép chuyển đổi pha do ứng suất gây ra.
2. Tính chất và lợi thế chính
| Tài sản | ZTA | Al₂O₃ tinh khiết | ZrO₂ tinh khiết |
|---|---|---|---|
| Độ cứng (HV) | 1600-2000 | 1800-2200 | 1200-1400 |
| Độ bền gãy (K <sub> IC </sub> , MPa·m <sup> 1/2 </sup> ) | 5-10 | 3-4 | 6-12 |
| Độ bền uốn (MPa) | 500-1000 | 300-500 | 800-1200 |
| Khả năng chống sốc nhiệt | Cao | Vừa phải | Rất cao |
| Trị giá | Vừa phải | Thấp | Cao |
Tại sao nên chọn ZTA?
✔ Độ dẻo dai cao hơn Al₂O₃ (ít giòn hơn, chịu va đập tốt hơn)
✔ Độ cứng cao hơn ZrO₂ (khả năng chống mài mòn tốt hơn)
✔ Độ ổn định nhiệt và hóa học tốt (phù hợp với môi trường khắc nghiệt)
✔ Giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí cho ZrO₂ nguyên chất
3. Cơ chế làm cứng
Khả năng chống gãy xương được cải thiện của ZTA là do:
-
Biến đổi cường hóa
-
Khi bị căng thẳng, quá trình chuyển pha ZrO₂ (t-ZrO₂) → ZrO₂ (m-ZrO₂) đơn tà xảy ra, gây ra sự giãn nở thể tích ~4%.
-
Điều này tạo ra ứng suất nén xung quanh đầu vết nứt, cản trở sự lan truyền của vết nứt.
-
-
Làm cứng vết nứt nhỏ
-
Sự chuyển đổi pha ZrO₂ tạo ra các vết nứt nhỏ, hấp thụ năng lượng và làm chệch hướng các vết nứt chính.
-
-
Tác động của ứng suất dư
-
Sự không tương thích giãn nở nhiệt giữa Al₂O₃ và ZrO₂ tạo ra ứng suất dư có lợi.
-
4. Ứng dụng của ZTA
Do tính chất cân bằng của nó, ZTA được sử dụng trong:
(1) Dụng cụ cắt & bộ phận mài mòn
-
Phụ kiện cho gia công, vật liệu mài, khuôn kéo dây.
-
Có khả năng chống va đập tốt hơn Al₂O₃.
(2) Cấy ghép y sinh
-
Thay khớp hông và khớp gối (thay thế cho ZrO₂ nguyên chất).
-
Mão răng và cấy ghép răng.
(3) Thành phần công nghiệp và kết cấu
-
Vòng bi, phớt, van chịu nhiệt độ cao.
-
Giáp chống đạn (độ bền tốt hơn Al₂O₃).
(4) Điện tử & Năng lượng
-
Chất nền cho cảm biến, chất cách điện.
-
Các thành phần trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC).
