Jak je možné současně dosáhnout odolnosti proti opotřebení a odolnosti proti nárazu?
Zlepšení výkonu ZTA pramení z aktivního „samo-léčebného“ mechanismu:
Když je materiál vystaven nárazu nebo namáhání, částice oxidu zirkoničitého rozptýlené v matrici oxidu hlinitého procházejí fázovou transformací z tetragonální fáze (t) na monoklinickou fázi (m). Tato fázová přeměna je doprovázena objemovou expanzí, která vytváří na špičce trhliny lokalizovanou zónu tlakového napětí. Tato zóna funguje jako „bariéra“, účinně vychyluje a otupuje mikrotrhliny, čímž zabraňuje jejich šíření do katastrofických makroskopických zlomenin. Jednoduše řečeno, energie z vnějšího nárazu se využívá ke spuštění fázové transformace a absorbování energie, spíše než aby přímo vedla k prasknutí materiálu.
Porovnání klíčových údajů o výkonu
Podstatou ZTA je přidání oxidu zirkoničitého, který vykazuje vynikající houževnatost, k vysoce tvrdému oxidu hlinitému; konkrétní srovnávací údaje jsou následující:
|
výkonnostní index |
ZTA (reprezentativní hodnota) |
Čistý oxid hlinitý (99 %) |
vysvětlit |
|
Lomová houževnatost (KIC) |
7 – 9 MPa·m¹ᐟ² |
Přibližně 5 MPa·m⁻¹ᐟ² |
Houževnatost ZTA je výrazně vyšší než u čistého oxidu hlinitého, což tvoří základní základ jeho odolnosti proti nárazu. |
|
Tvrdost podle Vickerse |
1400 – 1600 HV |
1600 – 1800 HV |
Tvrdost ZTA se mírně snížila, ale zůstává na vysoké úrovni, což zajišťuje pevný základ pro odolnost proti opotřebení. |
|
pevnost v ohybu |
650 – 800 MPa |
Přibližně 400 MPa |
Pevnost ZTA je výrazně vyšší než u čistého oxidu hlinitého a vykazuje vynikající odolnost proti lomu. |
|
relativní rychlost opotřebení |
0.45 – 0.55 |
1.0 |
Při použití čistého oxidu hlinitého jako měřítka je rychlost opotřebení ZTA menší než poloviční než u čistého oxidu hlinitého, což má za následek výrazné zlepšení odolnosti proti opotřebení. |
💡 Skutečný výkon odolnosti proti nárazu
Výhody odolnosti proti nárazu ZTA jsou velmi zřejmé v praktických testech a srovnávacích hodnoceních:
Nejlepší výkon byl pozorován u kompozitů na bázi železa: studie porovnávající kompozity na bázi železa vyztužené keramickými částicemi z oxidu hlinitého, ZTA a zirkonu prokázala, že kompozit ZTA/Fe45 vykazoval nejvyšší odolnost proti nárazu a opotřebení.
Schopnost fázové transformace je klíčová: studie také zjistila, že během nárazového opotřebení byl rozsah fázové transformace oxidu zirkoničitého v částicích ZTA významně vyšší než u částic čistého zirkonu, což naznačuje, že zpevňující mechanismus ZTA byl účinněji aktivován za podmínek nárazu.
Povrchová úprava může vlastnosti dále zlepšit: když částice ZTA projdou bezproudovým niklováním, rázová energie vyztuženého kompozitu se může výrazně zvýšit na 12,08 J, což má za následek výrazné zlepšení rázové houževnatosti.
Omezení k poznámce
Odolnost ZTA proti nárazu není neomezená; jeho výkon je vysoce závislý na obsahu oxidu zirkoničitého a velikosti částic. Některé studie například ukázaly, že při použití karbidu křemíku (SiC) – brusiva s vysokou tvrdostí – pro zkoušky eroze, se může rychlost opotřebení ZTA ve skutečnosti zvýšit, protože rázové napětí překročí práh pro houževnatost s fázovou transformací, což vede k závažnému šíření příčných trhlin. V důsledku toho je optimálním scénářem použití ZTA odolnost vůči nárazovému opotřebení způsobenému brusivem střední tvrdosti (např. oxid hlinitý, oxid křemičitý).
Pokud máte konkrétní scénář použití (např. brusná média, vložky nebo konstrukční součásti), mohu vám pomoci určit, zda je ZTA vhodná.