Einführung in Zirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxidkeramik (ZTA)
Seit Garvie et al. veröffentlichten"Keramikstahl"in der Zeitschrift Nature im Jahr 1975 wurde der Forschung zur Phasenumwandlung von Keramikhärtungsmaterialien im Zusammenhang mit Zirkonoxid große Aufmerksamkeit gewidmet. Seitdem wurden Experimente mit der Dispersion von Zirkonoxid in verschiedenen Keramikmatrizen durchgeführt, die zur Herstellung von Hochleistungskeramikmaterialien führten. Eines der klassischsten Beispiele ist die Einführung von Zirkonoxid inAluminiumoxidkeramik, ergebendZirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxidkeramik (ZTA).
1. Eigenschaften vonZTA und deren Zusammenhang mit den Eigenschaften von Aluminiumoxidpulver:
ZTA-Keramiken sind Verbundkeramiken mit ausgezeichneter chemischer und thermischer Stabilität sowie hoher Festigkeit. Allerdings sind sie nicht sehr zuverlässig und die Produktionskosten hoch, was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt.
Die Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit von ZTA-Keramiken hängen mit der Partikelgröße des verwendeten Aluminiumoxidpulvers zusammen, wobei sich die Sintereigenschaften verbessern, wenn die Partikelgröße des verwendeten Aluminiumoxids abnimmt. Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass ZTA, das unter Verwendung von durch mechanisches Mahlen erzeugtem Aluminiumoxid im Submikrometerbereich hergestellt wird, gute mechanische Eigenschaften aufweist, wenn es bei 1500 °C gesintert wird, mit einer Biegefestigkeit von 720 MPa und einer Bruchzähigkeit von 6,86 MPa·m1/2, und damit besser abschneidet als chemisch hergestellte ZTA-Keramiken auf Aluminiumoxidbasis. Feinere Partikel führen jedoch nicht unbedingt zu besseren mechanischen Eigenschaften von ZTA, da diese auch von der Sintertemperatur abhängen. Große Aluminiumoxidkörner bei gleicher Sintertemperatur können die Phasenumwandlung von Zirkonoxid hemmen und so die endgültigen Eigenschaften der ZTA-Keramiken beeinflussen.
2. Herstellungsmethoden für ZTA-Verbundpulver:
Zu den Herstellungsverfahren für ZTA-Verbundpulver gehören Mischverfahren, Niederschlagsverfahren und Niederschlagseinkapselungsmethoden. Probleme wie die Aggregation ultrafeiner Pulver und die ungleichmäßige Dispersion von ZrO2 in der Matrix waren jedoch schon immer eine Herausforderung bei der Prozesssteuerung. In den letzten Jahren haben Forscher viele Verbesserungen an bestehenden Methoden vorgenommen.
（1）Mechanische Mischmethode:Dabei werden die Pulver, aus denen das Komposit besteht, gemischt und in einer Kugelmühle gemahlen, worauf das Sintern folgt. Diese Methode ist zwar direkt und einfach, kann jedoch keine gleichmäßige Dispersion der mehrphasigen Komponenten garantieren. Experimente haben gezeigt, dass mit dieser Methode hergestellte Keramiken aufgrund ungleichmäßiger Mischung eine höhere Porosität aufweisen können, was zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führt.
(2)Mehrphasen-Suspensionsmischverfahren:Bei dieser Methode wird der pH-Wert angepasst und Dispergiermittel hinzugefügt, um stabile einphasige Suspensionen der einzelnen Komponenten herzustellen. Anschließend werden geeignete Mischbedingungen gefunden, bei denen die Partikel jeder Phase gleichmäßig verteilt sind, und schließlich werden die einphasigen Suspensionen gemischt. Gleichmäßig gemischte Pulver können hergestellt werden, indem gemeinsame Flockungsbedingungen gefunden werden.
(3)Sol-Suspension-Mischverfahren:Da der pH-Wert der Flüssigkeit die Suspension von Nanosolen nicht beeinflusst, ist es praktisch, sie gleichmäßig mit anderen Suspensionen zu mischen. Wenn beide Flüssigkeiten einen hohen Feststoffanteil aufweisen, kann durch Rühren, Erhitzen oder Luftstromtrocknen eine stark gemischte Nanokompositkeramik erhalten werden.
(4)Sol-Gel-Verfahren:Bei dieser Methode werden Sole von Metalloxiden oder -hydroxiden in Gele umgewandelt, anschließend getrocknet und kalziniert, um Oxidpulver herzustellen. Diese Methode eignet sich zur Herstellung gleichmäßig gemischter Nanopulver.
3. Anwendungshinweise:
ZTA-Keramik, ein hochfester und zäher Verbundwerkstoff, der durch die Kombination der hohen Härte von Aluminiumoxid mit der hervorragenden Zähigkeit von Zirkonoxid entsteht und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann:
(1) Herstellung von Keramikmessern zur Bearbeitung von Gusseisen und Legierungen.
(2) Herstellung von Schnittstellenstrukturen in technischer Keramik zur Verlängerung der Lebensdauer technischer Werkstoffe.
(3) Herstellung verschleißfester Keramikkugeln.
（4）Verwendung in biomedizinischen Materialien aufgrund der ausgezeichneten Biokompatibilität vonAluminiumoxidkeramik, für rekonstruktive und reparative Zwecke in hartem Gewebe wie Zähnen.
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