Introduzione all’allumina rinforzata con zirconia

Introduzione all’allumina rinforzata con zirconia (ZTA)

L’allumina rinforzata con zirconia (ZTA)  è un composito ceramico avanzato che combina l’elevata durezza e resistenza all’usura  dell’allumina (Al₂O₃)  con la superiore tenacità alla frattura della  zirconia (ZrO₂) . Incorporando  particelle di ZrO₂  in una  matrice di Al₂O₃ , ZTA raggiunge un equilibrio unico tra resistenza meccanica, stabilità termica e resistenza alle crepe, rendendolo adatto ad applicazioni ingegneristiche e biomediche complesse.

1. Composizione e struttura

• Matrice:  allumina (Al₂O₃, 70-90% in peso) – conferisce durezza e stabilità chimica.

• Fase di indurimento:  Zirconia (ZrO₂, 10-30% in peso) – migliora la tenacità alla frattura tramite  indurimento per trasformazione di fase .

• Stabilizzanti (facoltativi):  è possibile aggiungere Y₂O₃, CeO₂ o MgO per controllare la stabilità della fase ZrO₂.

Caratteristiche microstrutturali:

• Particelle fini di ZrO₂  (tipicamente <1 µm) disperse nella matrice di Al₂O₃.

• Lo ZrO₂ tetragonale (t-ZrO₂)  rimane metastabile a temperatura ambiente, consentendo la trasformazione di fase indotta dallo stress.

2. Proprietà e vantaggi principali

Perché scegliere ZTA?

✔  Maggiore tenacità rispetto ad Al₂O₃  (meno fragile, più resistente agli urti)
✔  Maggiore durezza rispetto a ZrO₂  (migliore resistenza all’usura)
✔  Buona stabilità termica e chimica  (adatto ad ambienti difficili)
✔  Alternativa conveniente a ZrO₂ puro

3. Meccanismi di rafforzamento

La maggiore resistenza alla frattura di ZTA è dovuta a:

1. Trasformazione Rafforzamento

   • Sotto stress,  si verifica la transizione di fase tetragonale ZrO₂ (t-ZrO₂) → monoclina ZrO₂ (m-ZrO₂)  , causando un’espansione del volume di circa il 4%.

   • Ciò crea  sollecitazioni compressive  attorno alle punte delle crepe, ostacolandone la propagazione.

2. Indurimento delle microfessure

   • La trasformazione di fase di ZrO₂ induce microfratture, che assorbono energia e deviano le fratture principali.

3. Effetti dello stress residuo

   • La discrepanza di dilatazione termica tra Al₂O₃ e ZrO₂ genera stress residui benefici.

4. Applicazioni di ZTA

Grazie alle sue proprietà bilanciate, ZTA viene utilizzato in:

(1) Utensili da taglio e parti soggette a usura

• Inserti per lavorazioni meccaniche, mezzi di rettifica, filiere per trafilatura.

• Superiore all’Al₂O₃ nella resistenza agli urti.

(2) Impianti biomedici

• Sostituzioni articolari dell’anca e del ginocchio (alternativa allo ZrO₂ puro).

• Corone e impianti dentali.

(3) Componenti industriali e strutturali

• Cuscinetti, guarnizioni, valvole ad alta temperatura.

• Corazza balistica (migliore resistenza dell’Al₂O₃).

(4) Elettronica ed energia

• Substrati per sensori, isolanti.

• Componenti delle celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC).