Miten on mahdollista saavuttaa samanaikaisesti kulutuskestävyys ja iskunkestävyys?
ZTA:n suorituskyvyn parantaminen johtuu aktiivisesta "itsekorjausmekanismista":
Kun materiaali altistetaan iskulle tai jännitykselle, alumiinioksidimatriisiin dispergoidut zirkoniumoksidihiukkaset käyvät läpi faasimuutoksen tetragonaalisesta faasista (t) monokliiniseen faasiin (m). Tätä vaihemuutosta seuraa tilavuuden laajeneminen, mikä luo paikallisen puristusjännitysalueen halkeaman kärkeen. Tämä vyöhyke toimii "esteenä" taivuttelemalla ja tylsyttäen tehokkaasti mikrohalkeamia, mikä estää niitä leviämästä katastrofaalisiin makroskooppisiin murtumiin. Yksinkertaisesti sanottuna ulkoisen vaikutuksen energiaa käytetään faasimuutoksen laukaisemiseen ja energian absorboimiseen sen sijaan, että se johtaisi suoraan materiaalin murtumiseen.
Keskeisten tehokkuustietojen vertailu
ZTA:n ydin on zirkoniumoksidin lisääminen korkean kovuuden alumiinioksidiin, jolla on erinomainen sitkeys; tarkat vertailutiedot ovat seuraavat:
|
suorituskykyindeksi |
ZTA (edustava arvo) |
Puhdas alumiinioksidi (99 %) |
selittää |
|
Murtolujuus (KIC) |
7–9 MPa·m¹ᐟ² |
Noin 5 MPa·m⁻¹ᐟ² |
ZTA:n sitkeys on huomattavasti korkeampi kuin puhtaan alumiinioksidin, mikä on sen iskunkestävyyden perusta. |
|
Vickersin kovuus |
1400-1600 HV |
1600-1800 HV |
ZTA-kovuus on hieman laskenut, mutta se pysyy korkealla tasolla, mikä takaa vankan pohjan kulutuskestävyydelle. |
|
taivutusvoima |
650-800 MPa |
Noin 400 MPa |
ZTA:n lujuus on huomattavasti korkeampi kuin puhtaan alumiinioksidin, ja sillä on erinomainen murtumiskestävyys. |
|
suhteellinen kulumisaste |
0.45 – 0.55 |
1.0 |
Käytettäessä puhdasta alumiinioksidia vertailukohtana ZTA:n kulumisnopeus on alle puolet puhtaan alumiinioksidin kulumisasteesta, mikä parantaa merkittävästi kulutuskestävyyttä. |
💡 Todellinen iskunkestävyys
ZTA:n iskunkestävyyden edut ovat erittäin ilmeisiä käytännön testauksessa ja vertailevissa arvioinneissa:
Paras suorituskyky havaittiin rautapohjaisissa komposiiteissa: tutkimus, jossa verrattiin alumiinioksidilla, ZTA:lla ja keraamisilla zirkoniumoksidihiukkasilla vahvistettuja rautapohjaisia komposiitteja, osoitti, että ZTA/Fe45-komposiitilla oli paras iskunkestävyys ja kulutuskestävyys.
Faasimuunnoskyky on avainasemassa: tutkimuksessa havaittiin myös, että iskukulumisen aikana ZTA-hiukkasten zirkoniumoksidin faasimuutosaste oli huomattavasti suurempi kuin puhtaissa zirkoniumoksidihiukkasissa, mikä osoittaa, että ZTA:n sitkeytysmekanismi aktivoitui tehokkaammin iskuolosuhteissa.
Pinnan modifiointi voi parantaa ominaisuuksia entisestään: kun ZTA-hiukkaset läpikäyvät sähköttömän nikkelipinnoituskäsittelyn, vahvistetun komposiitin iskuenergia voidaan nostaa merkittävästi arvoon 12,08 J, mikä parantaa huomattavasti iskunkestävyyttä.
Huomioon otettavat rajoitukset
ZTA:n iskunkestävyys ei ole rajaton; sen suorituskyky riippuu suuresti zirkoniumoksidipitoisuudesta ja hiukkaskoosta. Esimerkiksi jotkut tutkimukset ovat osoittaneet, että käytettäessä piikarbidia (SiC) - korkean kovuuden hioma-ainetta - eroosiotestaukseen, ZTA:n kulumisnopeus voi itse asiassa kasvaa, koska iskujännitys ylittää faasimuunnosten karkaisun kynnyksen, mikä johtaa vakavaan poikittaiseen halkeamien etenemiseen. Näin ollen ZTA:n optimaalinen käyttöskenaario on kestää kohtalaisen kovuuden hioma-aineiden (esim. alumiinioksidi, piidioksidi) aiheuttamaa iskukulumista.
Jos sinulla on tietty käyttöskenaario (esim. hiontamateriaalit, vuoraukset tai rakenneosat), voin auttaa sinua määrittämään, onko ZTA sopiva.