Алюмооксидная керамика, упрочненная диоксидом циркония (ZTA)
Алюмооксидная керамика, упрочненная диоксидом циркония (ZTA от англ. Zirconia Toughened Alumina) – композитный керамический материал, получаемый путем введения частиц диоксида циркония (ZrO₂) в матрицу из оксида алюминия (Al₂O₃).
Ключевой механизм упрочнения такой керамики заключается в эффекте трансформационного упрочнения. При комнатной температуре диоксид циркония находится в метастабильной тетрагональной фазе. Когда перед трещиной возникает концентрация напряжений, тетрагональная фаза переходит в моноклинную. Данный процесс сопровождается увеличением объема частиц диоксида циркония, что тормозит дальнейшее расползание трещины. За счет данного процесса ZTA керамика имеет высокую прочность алюмооксидной керамики и повышенную вязкость разрушения диоксида циркония.
ZTA является одним из наиболее распространенных видов высокоэффективной структурной керамики.
Технические характеристики
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Плотность | Около 4,0–4,3 г/см³ |
| Твердость по Виккерсу | Около 16,0 ГПа |
| Прочность при трехточечном изгибе | 600–705 МПа |
| Модуль Юнга | 330–380 ГПа |
| Коэффициент Пуассона | 0,24–0,25 |
| Средний коэффициент линейного теплового расширения (40–400°C) | 7,2–7,8×10⁻⁶ К⁻¹ |
| Средний коэффициент линейного теплового расширения (40–800°C) | 8,2–8,7×10⁻⁶ К⁻¹ |
| Теплопроводность (20 °C) | 16–26 Вт/(м·К) |
| Удельная теплоемкость | Около 0,71 Дж/(г·К) |
| Модуль изгиба | Около 260 ГПа |
| Макс. рабочая температура | Около 1400°C |
| Термостойкость | Около 325°C |
| Удельное объемное электрическое сопротивление | >10¹² Ом·см (100 В) |
Преимущества
-
Высокая прочность и твердость
Прочность при изгибе ZTA керамики составляет порядка 400–600 МПа (по сравнению примерно с 300–400 МПа для чистой алюмооксидной керамики), а твердость по Виккерсу составляет HV10≥1300. Благодаря этому материал подходит для условий интенсивного абразивного износа.
-
Превосходная коррозионная стойкость
Стойкость к воздействию кислот и щелочей сопоставима с чистой алюмооксидной керамикой и во много раз превосходит показатели металлических материалов.
-
Термическая стабильность
Рабочая температура может достигать 1400°C. Коэффициент линейного теплового расширения составляет 6–8×10⁻⁶/°C и близок к соответствующим показателям ряда металлов, что облегчает применение ZTA в составе комбинированных металлокерамических конструкций.
Применение
- Износостойкие футеровки, сопла и шаровые клапаны для горнодобывающей и химической промышленности
- Подложки и корпуса для электронных компонентов
- Шарики подшипников и уплотнительные кольца для вращающегося оборудования, в том числе механических уплотнений насосов
- Керамические ролики и мелющие тела для производства литий-ионных аккумуляторов
- Коррозионностойкие фильтрующие компоненты для очистки сточных вод
- Высокотемпературные структурные компоненты для аэрокосмической промышленности, включая теплоизоляционные элементы двигателей
- Позиционирующие компоненты для полупроводникового оборудования