آلومینا زیرکونیا
معرفی

ریزساختار کامپوزیت‌های آلومینا/زیرکونیا بر پایه حضور دو فاز جداگانه، بدون انجام واکنش و تشکیل محلول جامد میان این دو بنا شده‌است. براساس دیاگرام فاز این دو اکسید مقدار کم  {\ce {ZrO2}} به عنوان یک افزودنی به  {\ce {Al2O3}} باعث تشکیل محلول جامد و در نتیجه افزایش تراکم پذیری کامپوزیت‌های پایه الومینا می‌گردد.
همچنین حضور ذرات  {\ce {ZrO2}} در نمونه‌های  {\ce {Al2O3 + ZrO2}} به‌طور جدی رشد دانه  {\ce {Al2O3}} را محدود می‌کند و سرعت رشد ذرات  {\ce {Al2O3}} بسیار کمتر از نمونه‌های فاقد ZrO2  {\ce {ZrO2}}است و به عبارتی ذرات زیرکونیا از رشد بیش از حد و افراطی ذرات الومینا جلوگیری می‌کند.
حضور ذرات زیرکونیا در زمینه آلومینا، به عنوان ذرات مجزا که قابلیت انجام دگرگونی فازی را دارند، سازوکار اصلی افزایش چقرمگی در کامپوزیت‌های آلومینا/زیرکونیا است. در حقیقت این دگرگونی فازی سبب ایجاد ریز ترک و ایجاد تنش فشاری در سطح و انحراف ترک خواهد شد. کامپوزیت آلومینا/زیرکونیا، سختی بالا آلومینا و مقاومت شکست عالی زیرکونیا را با هم ترکیب کرده و به عنوان یک جایگزین مؤثر برای زیرکونیا منوکلینیک و آلومینا در طیف گسترده‌ای از کاربردها گسترده شده‌است. در واقع، نقص اصلی زیرکونیا مونوکلینیک پیری آن به علت استحاله فازی تتراگونال به مونوکلینیک وقتی در معرض شرایط هیدروترمال قرار می‌گیرد است. از سوی دیگر مطالعات متعددی نیز نشان دادند شکست سرامیک یکپارچه آلومینا به علت مقاومت کم ان در مقابل انتشار ترک است. کامپوزیت آلومینا و زیرکونیا این اثرات را از بین می‌برد. دو دسته کامپوزیت بر اساس سیستم  {\ce {ZrO2 - Al2O3}} ساخته شده و به صورت تجاری استفاده شده: آلومینای چقر شده با ذرات زیرکونیا (ZTA) و زیرکونیای تقویت شده با ذرات آلومینا (ATZ).
دسته اول الومینای تقویت شده با ۱۰ تا ۲۰ درصد وزنی زیرکونیا و دسته دوم عموماً زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا به همراه تقریباً ۲۰ درصد وزنی الومینا است.
در سال ۱۹۷۵ گارویه و همکارانش اولین کسانی بودند که توانائی بالای زیرکونیا را برای بهبود خواص مکانیکی آلومینا کشف کردند حضور ذرات زیرکونیا در ساختار آلومینا می‌تواند همچون سدی از رشد ترک‌های موجود در ساختار جلوگیری کند. علاوه بر آن درصورتی که از فاز تتراگونال پایدار شده زیرکنیا به عنوان ذرات پخش شونده استفاده گردد به هنگام برخورد ترک‌های در حال رشد به این ذرات، انرژی ترک صرف تبدیل فاز تتراگونال به منوکلینیک گردیده و لذا رشد ترک کند یا متوقف می‌گردد. همچنین گارویه گزارش داد که اندازه ذرات تتراگونال پایدار شده زیرکونیا باید از یک حد بحرانی کوچکتر نگه داشته شود تا بتوان به مقادیر بالایی از چقرمگی شکست دست یافت. به عبارتی ذرات تتراگونال زیرکونیا باید به حدی کوچک نگاه داشته شوند که به صورت خود بخودی در ماتریس زیرکونیا مکعبی تغییر فرم پیدا نکرده و تنها در اثر اعمال تنش به آن‌ها این تغییر فرم صورت گیرد.
ذرات زیرکونیا به عنوان یک عامل چقرمه‌کننده برای سرامیک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند و سرامیک‌های چقرمه شده با زیرکونیا (ZTCS)بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند که از مهم‌ترین آن‌ها آلومینای تقویت شده با زیرکونیا(ZTA)است که به زمینه آلومینایی ذرات زیرکونیایی فاز تتراگونال یا مونوکلینیک افزوده می‌شود. در ZTA ها این موضوع ثابت شده‌است که افزودن فاز دوم باعث بهبود خواص مکانیکی اصلی مثل استحکام خمشی و چقرمگی شکست می‌شود. چنین پیشرفت‌هایی این ماده را کاندید مناسبی برای کاربردهای مهندسی که نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا و چقرمگی شکست متوسط دارند، کرده‌است. مطالعات اخیر نشان می‌دهند حضور همزمان ذرات زیرکونیا و فلز می‌تواند باعث بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت‌های زمینه آلومینایی شود در این راستا، مطالعاتی پیرامون کامپوزیت‌هایی همچون  {\ce {ZrO2 - Ni , Al2O3}} /  {\ce {ZrO2-Mo , Al2O3}} /  {\ce {ZrO2-Ag , Al2O3}} صورت گرفته‌است. از جمله خواصی که در این مطالعات مورد بررسی قرارگرفته‌اند می‌توان به استحکام، چقرمگی شکست، سختی و مقاومت به اکسیداسیون اشاره کرد. در مطالعات فوق، افزایش استحکام و چقرمگی کامپوزیت تقویت شده با ذرات زیرکونیا و فلز در مقایسه با آلومینای تک فاز مشاهده شده‌است. سختی این کامپوزیت‌ها با توجه به پایین‌تر بودن سختی زیرکونیا و فلزات نسبت به آلومینا، کاهش یافته‌است و همچنین مقاومت به اکسیداسیون ذاتی آلومینا در اثر افزوده شدن ذرات فلزی و زیرکونیا کاهش می‌یابد. به هر حال لازم است شرایط بهینه‌ای از خواص متفاوت با توجه به کاربرد کامپوزیت مورد نظر لحاظ شود.