اکسید آلومینیوم یا آلومینا یکی از مهمترین مواد سرامیک های مهندسی است که به علت خواص فیزیکی و مکانیکی بسیار مناسب آن، کاربردهای فراوانی در ابزارهای برش، قطعات مقاوم به سایش و خوردگی دارد. آلومینای خالص دارای چقرمگی شکست پایینی است که باعث می شود قابلیت اطمینان آن پایین آمده و در کاربرد آن مشکلاتی به وجود آید. اضافه کردن زیرکونیای پایدار شده به آلومینا باعث افزایش چقرمگی می شود. این عملیات باعث توسعه دسته ای از مواد به نام کامپوزیت های آلومینا / زیرکونیا شده است.
کامپوزیت های آلومینا / زیرکونیا ترکیبی از اکسید آلومینیوم با اکسید زیرکونیوم بوده و جزء کامپوزیت های سرامیکی هستند و به دلیل خواص مکانیکی خوبی که دارند مورد توجه قرار گرفته اند. این کامپوزیت ها به طور معمول در ابزارهای برش و ساینده ها که نیاز به سختی، استحکام و چقرمگی شکست بالا دارند، استفاده می شوند. همچنین به دلیل خواص مکانیکی مطلوب، واکنش پذیری بسیار کم و سازگاری بالای زیست محیطی، در صنعت پزشکی کاربردهای فراوانی دارند.
ریزساختار کامپوزیت های آلومینا / زیرکونیا بر پایه حضور دو فاز جداگانه، بدون انجام واکنش و تشکیل محلول جامد میان این دو بنا شده است. براساس دیاگرام فاز این دو اکسید مقدار کم ZrO2 به عنوان یک افزودنی به Al2O3 باعث تشکیل محلول جامد و در نتیجه افزایش تراکم پذیری کامپوزیت های پایه آلومینا می گردد.
دیاگرام فازی آلومینا زیرکونیا و تغییرات زیرکونیا با دما
همچنین حضور ذرات ZrO2 در نمونه های Al2O3+ZrO2 به طور جدی رشد دانه Al2O3 را محدود می کند و سرعت رشد ذرات Al2O3 بسیار کمتر از نمونه های فاقد ZrO2 است و به عبارتی ذرات زیرکونیا از رشد بیش از حد و افراطی ذرات آلومینا جلوگیری می کند.
حضور ذرات زیرکونیا در زمینه آلومینا، به عنوان ذرات مجزا که قابلیت انجام دگرگونی فازی را دارند، سازوکار اصلی افزایش چقرمگی در کامپوزیت های آلومینا / زیرکونیا است. در حقیقت این دگرگونی فازی سبب ایجاد ریزترک و ایجاد تنش فشاری در سطح و انحراف ترک خواهد شد. کامپوزیت آلومینا / زیرکونیا، سختی بالای آلومینا و مقاومت شکست عالی زیرکونیا را با هم ترکیب کرده و به عنوان یک جایگزین موثر برای زیرکونیای منوکلینیک و آلومینا در طیف گسترده ای از کاربردها گسترده شده است. در واقع، نقص اصلی زیرکونیای منو کلینیک پیری آن به علت استحاله فازی تتراگونال به منوکلینیک وقتی در معرض شرایط هیدروترمال قرار می گیرد است. از سوی دیگر مطالعات متعددی نیز نشان دادند شکست سرامیک یکپارچه آلومینا به علت مقاومت کم آن در مقابل انتشار ترک است. کامپوزیت آلومینا و زیرکونیا این اثرات را از بین می برد. دو دسته کامپوزیت بر اساس سیستم Al2O3-ZrO2 ساخته شده و به صورت تجاری استفاده شده است : آلومینای چقر شده با ذرات زیرکونیا (ZTA) و زیرکونیای تقویت شده با ذرات آلومینا (ATZ) .دسته اول آلومینای تقویت شده با 10 تا 20 درصد وزنی زیرکونیا و دسته دوم عموما زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا به همراه تقریبا 20 درصد وزنی آلومینا است.
