บทนำสู่เซอร์โคเนียเสริมความแข็งแกร่งอะลูมินา

บทนำเกี่ยวกับ Zirconia Toughened Alumina (ZTA)

เซอร์โคเนีย ทัฟเคน อะลูมินา (ZTA)  เป็นเซรามิกคอมโพสิตขั้นสูงที่ผสานความแข็งและความทนทานต่อการสึกหรอสูงของ  อะลูมินา (Al₂O₃)  เข้ากับความเหนียวแตกหักที่เหนือกว่าของ  เซอร์โคเนีย (ZrO₂)ด้วยการรวม  อนุภาค ZrO₂  ลงใน  เมทริกซ์ Al₂O₃ทำให้ ZTA มีความสมดุลที่โดดเด่นระหว่างความแข็งแรงเชิงกล เสถียรภาพทางความร้อน และความต้านทานการแตกร้าว จึงเหมาะสำหรับการใช้งานด้านวิศวกรรมและชีวการแพทย์ที่มีความต้องการสูง

1. องค์ประกอบและโครงสร้าง

• เมทริกซ์:  อะลูมินา (Al₂O₃ 70-90 wt%) – ให้ความแข็งและเสถียรภาพทางเคมี

• เฟสการเสริมความแข็งแกร่ง:  เซอร์โคเนีย (ZrO₂, 10-30 wt%) – เสริมความแข็งแกร่งในการแตกหักผ่านการ  เพิ่มความแข็งแกร่งด้วยการเปลี่ยนแปลงเฟส

• สารคงตัว (ทางเลือก):  อาจเติม Y₂O₃, CeO₂ หรือ MgO เพื่อควบคุมเสถียรภาพของเฟส ZrO₂

ลักษณะโครงสร้างจุลภาค:

• อนุภาค ZrO₂ ละเอียด  (โดยทั่วไป <1 µm) กระจายอยู่ในเมทริกซ์ Al₂O₃

• Tetragonal ZrO₂ (t-ZrO₂)  ยังคงไม่เสถียรที่อุณหภูมิห้อง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดจากความเครียด

2. คุณสมบัติและข้อดีหลัก

เหตุใดจึงควรเลือก ZTA?

✔  มีความเหนียวสูงกว่า Al₂O₃  (เปราะน้อยกว่า ทนต่อแรงกระแทกได้ดีกว่า)
✔  มีความแข็งสูงกว่า ZrO₂  (ทนทานต่อการสึกหรอได้ดีกว่า)
✔  มีเสถียรภาพทางความร้อนและเคมีที่ดี  (เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง)
✔  เป็นทางเลือกที่คุ้มต้นทุนแทน ZrO₂ บริสุทธิ์

3. กลไกการเสริมความแข็งแกร่ง

ความต้านทานการแตกหักที่เพิ่มขึ้นของ ZTA เป็นผลมาจาก:

1. การเปลี่ยนแปลงที่แข็งแกร่ง

   • ภายใต้ความเครียด  การเปลี่ยนเฟสของ tetragonal ZrO₂ (t-ZrO₂) → monoclinic ZrO₂ (m-ZrO₂)  เกิดขึ้น ทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตร ~4%

   • ซึ่งจะทำให้เกิด  แรงกดทับ  บริเวณปลายรอยแตกร้าว ส่งผลให้การแพร่กระจายของรอยแตกร้าวมีอุปสรรค

2. การทำให้แข็งแรงขึ้นด้วยไมโครแคร็ก

   • การเปลี่ยนแปลงเฟส ZrO₂ ทำให้เกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็ก ซึ่งจะดูดซับพลังงานและเบี่ยงรอยแตกร้าวหลัก

3. ผลกระทบจากความเครียดตกค้าง

   • ความไม่ตรงกันของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่าง Al₂O₃ และ ZrO₂ ก่อให้เกิดความเค้นตกค้างที่เป็นประโยชน์

4. การประยุกต์ใช้ ZTA

เนื่องจากคุณสมบัติที่สมดุล ZTA จึงถูกใช้ใน:

(1) เครื่องมือตัดและชิ้นส่วนสึกหรอ

• เม็ดมีดสำหรับงานกลึง งานเจียรวัสดุ และแม่พิมพ์ดึงลวด

• เหนือกว่า Al₂O₃ ในด้านความทนทานต่อแรงกระแทก

(2) อุปกรณ์ปลูกถ่ายทางชีวการแพทย์

• การเปลี่ยนข้อสะโพกและข้อเข่า (ทางเลือกแทน ZrO₂ บริสุทธิ์)

• ครอบฟันและรากฟันเทียม

(3) ส่วนประกอบอุตสาหกรรมและโครงสร้าง

• ตลับลูกปืน ซีล วาล์ว ทนอุณหภูมิสูง

• เกราะกันกระสุน (มีความเหนียวกว่า Al₂O₃)

(4) อิเล็กทรอนิกส์และพลังงาน

• สารตั้งต้นสำหรับเซนเซอร์ ฉนวนไฟฟ้า

• ส่วนประกอบในเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFCs)