Ako je možné súčasne dosiahnuť odolnosť proti opotrebeniu a nárazu?
Zlepšenie výkonu ZTA pramení z aktívneho „samoliečiaceho“ mechanizmu:
Keď je materiál vystavený nárazu alebo namáhaniu, častice oxidu zirkoničitého dispergované v matrici oxidu hlinitého prechádzajú fázovou transformáciou z tetragonálnej fázy (t) na monoklinickú fázu (m). Táto fázová premena je sprevádzaná objemovou expanziou, ktorá vytvára lokalizovanú zónu tlakového napätia na vrchole trhliny. Táto zóna pôsobí ako „bariéra“, účinne odkláňa a otupuje mikrotrhliny, čím bráni ich šíreniu do katastrofických makroskopických zlomenín. Jednoducho povedané, energia z vonkajšieho nárazu sa využíva skôr na spustenie fázovej transformácie a absorpciu energie, než aby priamo viedla k prasknutiu materiálu.
Porovnanie kľúčových údajov o výkonnosti
Podstatou ZTA je pridanie oxidu zirkoničitého, ktorý vykazuje vynikajúcu húževnatosť, k oxidu hlinitému s vysokou tvrdosťou; konkrétne porovnávacie údaje sú nasledovné:
|
index výkonnosti |
ZTA (reprezentatívna hodnota) |
Čistý oxid hlinitý (99%) |
vysvetliť |
|
Lomová húževnatosť (KIC) |
7 – 9 MPa·m¹ᐟ² |
Približne 5 MPa·m⁻¹ᐟ² |
Húževnatosť ZTA je výrazne vyššia ako húževnatosť čistého oxidu hlinitého, čo tvorí základný základ jeho odolnosti proti nárazu. |
|
Tvrdosť podľa Vickersa |
1400 – 1600 HV |
1600 – 1800 HV |
Tvrdosť ZTA sa mierne znížila, ale zostáva na vysokej úrovni, čím zabezpečuje pevný základ pre odolnosť proti opotrebovaniu. |
|
pevnosť v ohybe |
650 – 800 MPa |
Približne 400 MPa |
Pevnosť ZTA je výrazne vyššia ako pevnosť čistého oxidu hlinitého a vykazuje vynikajúcu odolnosť proti zlomeniu. |
|
relatívna miera opotrebovania |
0.45 – 0.55 |
1.0 |
Pri použití čistého oxidu hlinitého ako referenčnej hodnoty je rýchlosť opotrebovania ZTA menšia ako polovičná v porovnaní s čistým oxidom hlinitým, čo vedie k výraznému zlepšeniu odolnosti proti opotrebovaniu. |
💡 Skutočný výkon odolnosti proti nárazu
Výhody odolnosti proti nárazu ZTA sú veľmi zrejmé v praktických testoch a porovnávacích hodnoteniach:
Najlepší výkon bol pozorovaný u kompozitov na báze železa: štúdia porovnávajúca kompozity na báze železa vystužené keramickými časticami z oxidu hlinitého, ZTA a zirkónia preukázala, že kompozit ZTA/Fe45 vykazoval najvyššiu odolnosť proti nárazu a opotrebovaniu.
Schopnosť fázovej transformácie je kľúčová: štúdia tiež zistila, že počas nárazového opotrebovania bol rozsah fázovej transformácie oxidu zirkoničitého v časticiach ZTA výrazne vyšší ako v časticiach čistého zirkónia, čo naznačuje, že mechanizmus tvrdnutia ZTA bol účinnejšie aktivovaný v podmienkach nárazu.
Povrchová úprava môže ďalej zlepšiť vlastnosti: keď častice ZTA prejdú bezprúdovým niklovaním, rázová energia vystuženého kompozitu sa môže výrazne zvýšiť na 12,08 J, čo vedie k výraznému zlepšeniu rázovej húževnatosti.
Obmedzenia, ktoré treba poznamenať
Odolnosť proti nárazu ZTA nie je neobmedzená; jeho výkon je vysoko závislý od obsahu oxidu zirkoničitého a veľkosti častíc. Napríklad niektoré štúdie ukázali, že pri použití karbidu kremíka (SiC) – abrazíva s vysokou tvrdosťou – na testovanie erózie, sa môže rýchlosť opotrebenia ZTA v skutočnosti zvýšiť, pretože rázové napätie prekročí prah pre spevnenie fázovou transformáciou, čo vedie k silnému šíreniu priečnych trhlín. V dôsledku toho je optimálnym aplikačným scenárom pre ZTA odolávať nárazovému opotrebeniu spôsobenému abrazívami strednej tvrdosti (napr. oxid hlinitý, oxid kremičitý).
Ak máte špecifický scenár aplikácie (napr. brúsne médiá, vložky alebo konštrukčné komponenty), môžem vám pomôcť určiť, či je ZTA vhodná.