氧化铝陶瓷 长期以来一直是先进陶瓷世界的关键材料。但是近年来， 氧化锆加强的氧化铝（ZTA） 已成为具有增强机械性能的氧化铝的改良版本。两种材料都广泛用于苛刻的应用，例如切割工具，生物医学植入物，磨损等等，对于工程师，产品设计师和采购团队来说，要了解 ZTA和氧化铝陶瓷之间的差异至关重要。这篇全面的文章探讨了这两种材料之间的区别，分析了它们在现实世界中的组成，性能和应用。
氧化铝陶瓷 ，也称为 氧化铝（Al₂o₃） ，是一种广泛使用的陶瓷材料，以其出色的硬度，高温电阻，电绝缘和化学稳定性而识别。氧化铝是当今使用的最古老，最经济的先进陶瓷之一。它通常有各种纯度水平（通常是85％，95％，99％和99.5％），较高的纯度可为专业应用提供更好的性能。
氧化铝陶瓷的关键属性：
| 属性 | 值范围 |
|---|---|
| 硬度 | 15-20 GPA |
| 密度 | 3.8–3.9 g/cm³ |
| 导热率 | 〜30 W/m·K（对于99.5％的纯氧化铝） |
| 最大操作温度 | 最多1,750°C |
| 介电强度 | > 10 kV/mm |
| 弯曲强度 | 300–400 MPA |
| 断裂韧性 | 3–4 MPa·m½ |
ZTA或 氧化锆硬氧化铝是一种复合陶瓷材料，将氧化铝与受控百分比 二氧化锆（Zro₂）混合在一起，通常在10-20％的范围内。这种组合显着改善了材料的 断裂韧性, 耐磨性和 弯曲强度，同时保持了纯氧化铝陶瓷 的大部分高温性能和化学稳定性.
ZTA中的锆颗粒在机械应力下经历了 相变 ，这有助于停止裂纹的传播，从而产生的材料比纯氧化铝要坚硬得多。
ZTA的关键特性：
| 属性 | 值范围 |
|---|---|
| 硬度 | 〜13–17 GPA |
| 密度 | 4.1–4.3 g/cm³ |
| 导热率 | 〜20–25 w/m·k |
| 最大操作温度 | 〜1,600°C |
| 介电强度 | 略低于纯氧化铝 |
| 弯曲强度 | 600–1,000 MPA |
| 断裂韧性 | 6–10 MPa·m½ |
| 特征 | 氧化铝陶瓷 | 锆石加铝（ZTA） |
|---|---|---|
| 作品 | ≥99％al₂o₃ | Al₂o₃，10–20％Zro₂ |
| 韧性 | 缓和 | 由于阶段变稳定， 高得多 |
| 力量 | 高的 | 很高，通常是2–3x氧化铝 |
| 戴阻力 | 出色的 | 优越，非常适合滑动磨损 |
| 成本 | 降低 | 较高（由于添加了锆石） |
| 导热率 | 更高 | 略低 |
| 电绝缘 | 出色的 | 略微减少 |
| 申请 | 通用高性能陶瓷 | 需要更高韧性和影响抵抗力的应用 |
上骨折韧性
ZTA的最重要优势是其 增强的韧性，这有助于材料在压力下抵抗开裂。这使得ZTA非常适合发生机械冲击，磨损或循环载荷的应用。
较高的弯曲强度
ZTA可以在破裂之前忍受更大的弯曲力，从而使其在泵组件，研磨介质和机械密封等动态应用中的性能更好。
延长的使用寿命
由于 耐磨性更好，ZTA零件的使用寿命通常比纯氧化铝陶瓷 持续更长
在磨料条件下。
尽管两种陶瓷对快速温度变化敏感，但ZTA由于其
坚固的微观结构而 耐热性变化敏感，但ZTA可以更好地处理热波动.
更高的成本
增加氧化锆会增加材料和加工成本。 ZTA比标准贵 氧化铝陶瓷，尤其是大量的。
电气特性略有降低，
包括氧化锆的包含略微损害了ZTA的绝缘特性，这对于某些电子应用可能至关重要。
较低的热导率
纯氧化铝具有更好的热量耗散特性，使其更适合电子和LED系统中的热管理。
| 应用字段 | 氧化铝陶瓷 | 锆石强化氧化铝（ZTA） |
|---|---|---|
| 电子产品 | 底物，绝缘子 | 由于介电强度较低而受到限制 |
| 医疗的 | 假肢植入物，牙科陶瓷 | 关节置换，手术工具 |
| 工业机械 | 轴承，戴板，阀门 | 泵密封，阀门，切割工具 |
| 采矿和矿物质 | 衬里，管道，喷嘴 | 打磨媒体， 影响衬里 |
| 国防与航空航天 | 装甲电镀 | 防弹衣，爆炸瓷砖 |
随着的兴起 添加剂制造，使用3D打印对生产复杂的陶瓷几何形状产生了越来越多的兴趣。 氧化铝陶瓷 在该领域更加确定，但是原料开发的最新进展正在使基于ZTA的浆液和粉末用于精密3D打印的部分。
在 生物医学领域，ZTA由于其在承重植入物（例如 髋关节和膝盖替代品）中的机械完整性的提高而变得越来越流行，仅铝和膝盖替代品就很容易在突然撞击下脆性骨折。
对关注也越来越多 绿色制造 和 可回收性的，两种材料都是无毒和化学惰性的。研究人员正在研究如何重复或重新使用ZTA和氧化铝复合材料，以最大程度地减少高科技制造业的废物。
| 选择因子 | 推荐材料 |
|---|---|
| 预算敏感的应用 | 氧化铝陶瓷 |
| 极端磨损和影响 | ZTA |
| 高纯度电气需求 | 氧化铝陶瓷（99.5％+） |
| 承载生物医学的使用 | ZTA |
| 高热电导率 | 氧化铝陶瓷 |
| 磨料的液体环境 | ZTA |
ZTA的韧性来自 转化韧性的 机制，在压力下， 氧化锆颗粒 在压力下改变了相，有效地停止了裂纹的传播。在纯中不存在此机制 氧化铝陶瓷.
并非总是如此。尽管ZTA提供了更好的机械性能，但在电气绝缘和导热率方面的效率 更高 ，效果略低，因此对于所有电子设备或热量耗散作用而言，它并不是理想的选择。
ZTA 通常是由于其 韧性, 耐磨性和 生物相容性而成为首选选择。它降低了髋关节或膝关节置换等应用中骨折的风险。
对于需要 电绝缘 或 耐化学抗性的应用, ，通常使用对于结构应用，较低的纯度（85-95％）更具成本效益。 99.5％或更高的纯度氧化铝。
由于氧化锆的成本和加工的复杂性， ZTA通常比可比氧化铝 贵20–50％ 。
是的， 氧化锆（Y-TZP） 和 氮化硅陶瓷（si₃n₄） 也因其高韧性而受欢迎，但是ZTA在许多应用中的成本和性能之间取得了平衡。
在某些环境中，ZTA可能会经历 低温降解 （尤其是在潮湿的条件下），尽管现代制剂越来越抗性。
在之间进行选择 氧化铝陶瓷 和 氧化锆加强氧化铝 最终取决于您应用程序的特定要求。如果您需要出色的韧性， ZTA 是明显的赢家，尤其是在动态，高影响力或磨料环境中。但是，对于需要出色的热和电气性能的成本敏感或高纯度应用，传统 氧化铝陶瓷 仍然无与伦比。
随着材料科学的不断发展，混合陶瓷和诸如ZTA之类的优化配方将变得更加针对利基行业量身定制。了解这些材料之间的关键性能指标和权衡，可确保更好的决策，更长的组成寿命和优化的系统性能。
无论您是设计耐磨工业机械还是为下一代医疗设备选择材料， 氧化铝陶瓷 和 ZTA 都将继续是跨部门驱动创新的基础材料。
