مقدمة عن أكسيد الألومنيوم المقوى بالزركونيا (ZTA)
أكسيد الألومنيوم المقسّى بالزركونيا (ZTA) هو مركب سيراميكي متطور يجمع بين صلابة أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) العالية ومقاومته للتآكل، ومتانة الزركونيا (ZrO₂) الفائقة ضد الكسر . بدمج جزيئات أكسيد الزركونيا (ZrO₂) في مصفوفة أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃ )، يحقق ZTA توازنًا فريدًا بين القوة الميكانيكية والاستقرار الحراري ومقاومة التشقق، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الهندسية والطبية الحيوية الصعبة.
1. التكوين والبنية
-
المصفوفة: أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃، 70-90٪ وزناً) – توفر الصلابة والاستقرار الكيميائي.
-
مرحلة التصلب: الزركونيا (ZrO₂، 10-30٪ وزناً) – تعزز صلابة الكسر من خلال التصلب بالتحول الطوري .
-
المثبتات (اختياري): يمكن إضافة Y₂O₃، أو CeO₂، أو MgO للتحكم في استقرار طور ZrO₂.
السمات البنيوية الدقيقة:
-
جزيئات ZrO₂ الدقيقة (عادةً <1 ميكرومتر) المنتشرة في مصفوفة Al₂O₃.
-
يظل ZrO₂ رباعي الزوايا (t-ZrO₂) غير مستقر في درجة حرارة الغرفة، مما يتيح التحول الطوري الناجم عن الإجهاد.
2. الخصائص والمزايا الرئيسية
| ملكية | زتا | Al₂O₃ النقي | أكسيد الزركونيوم النقي |
|---|---|---|---|
| الصلابة (HV) | 1600-2000 | 1800-2200 | 1200-1400 |
| صلابة الكسر (K <sub> IC </sub> ، MPa·m <sup> 1/2 </sup> ) | 5-10 | 3-4 | 6-12 |
| قوة الانحناء (ميجا باسكال) | 500-1000 | 300-500 | 800-1200 |
| مقاومة الصدمات الحرارية | عالي | معتدل | عالية جدًا |
| يكلف | معتدل | قليل | عالي |
لماذا تختار ZTA؟
✔ صلابة أعلى من Al₂O₃ (أقل هشاشة وأكثر مقاومة للصدمات)
✔ صلابة أعلى من ZrO₂ (مقاومة أفضل للتآكل)
✔ استقرار حراري وكيميائي جيد (مناسب للبيئات القاسية)
✔ بديل فعال من حيث التكلفة لـ ZrO₂ النقي
3. آليات التقوية
إن تحسين مقاومة الكسر في ZTA يرجع إلى:
-
تقوية التحول
-
تحت الضغط، يحدث انتقال طور رباعي الزوايا ZrO₂ (t-ZrO₂) → أحادي الميل ZrO₂ (m-ZrO₂) ، مما يتسبب في توسع الحجم بنسبة 4% تقريبًا.
-
ويؤدي هذا إلى خلق ضغوط ضاغطة حول أطراف الشقوق، مما يعيق انتشار الشقوق.
-
-
تقوية الشقوق الدقيقة
-
يؤدي تحول طور ZrO₂ إلى حدوث شقوق صغيرة، والتي تمتص الطاقة وتحرف الشقوق الرئيسية.
-
-
تأثيرات الإجهاد المتبقي
-
يؤدي عدم التوافق في التمدد الحراري بين Al₂O₃ وZrO₂ إلى توليد إجهادات متبقية مفيدة.
-
4. تطبيقات ZTA
بفضل خصائصه المتوازنة، يتم استخدام ZTA في:
(1) أدوات القطع وأجزاء التآكل
-
إدخالات للتشغيل الآلي، ووسائط الطحن، وقوالب سحب الأسلاك.
-
متفوق على Al₂O₃ في مقاومة الصدمات.
(2) الغرسات الطبية الحيوية
-
استبدال مفصل الورك والركبة (بديل لـ ZrO₂ النقي).
-
تيجان وزراعة الأسنان.
(3) المكونات الصناعية والهيكلية
-
المحامل والأختام والصمامات ذات درجات الحرارة العالية.
-
درع باليستي (صلابة أفضل من Al₂O₃).
(4) الإلكترونيات والطاقة
-
ركائز للمستشعرات والعوازل.
-
المكونات في خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs).
