Nuovo nanocomposito ZrO2/Al2O3 fabbricato da nanoparticelle ibride preparate da CO2 Laser Co

Dec 11, 2023

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20589 (2016) Citare questo articolo

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La zirconia rinforzata con allumina (ATZ) e l'allumina rinforzata con zirconio (ZTA) sono attualmente i materiali preferiti per soddisfare la necessità di ceramiche resistenti, resistenti e bioinerti per i dispositivi medici. Tuttavia, le proprietà meccaniche delle ceramiche in dispersione ZrO2/Al2O3 potrebbero essere notevolmente aumentate riducendo le dimensioni dei grani corrispondenti e migliorando l'omogeneità della dispersione di fase. Qui, prepariamo nanoparticelle con una distribuzione di fase intraparticolare di Zr(1−x)AlxO(2−x/2) e (γ-, δ-)Al2O3 mediante la condensazione simultanea in fase gassosa di polveri grezze di zirconia e allumina co-vaporizzate al laser . Durante la successiva sinterizzazione del plasma a scintilla, le strutture dei difetti di zirconio e le fasi di allumina di transizione si trasformano in una dispersione omogeneamente distribuita di ZrO2 tetragonale (52,4 vol%) e α-Al2O3 (47,6 vol%). Le ceramiche sinterizzate mediante sinterizzazione al plasma a scintilla sono completamente dense con dimensioni medie dei grani nell'intervallo intorno a 250 nm. Eccellenti proprietà meccaniche (resistenza alla flessione σf = 1500 MPa, resistenza alla frattura KIc = 6,8 MPa m1/2) insieme ad un'elevata resistenza alla degradazione a bassa temperatura rendono questi materiali candidati promettenti per la bioceramica di prossima generazione nelle protesi totali dell'anca e per gli impianti dentali.

I compositi di ossido ceramica α-allumina (α-Al2O3) e zirconio tetragonale (t-ZrO2) sono utilizzati in numerose applicazioni tecniche e biomediche grazie alla loro combinazione di eccellente resistenza alla corrosione, elevata resistività elettrica, buona biocompatibilità, basso attrito, elevata usura resistenza e alta resistenza1. In particolare per le applicazioni biomediche come gli impianti dentali e le protesi articolari totali, la loro combinazione è un materiale di scelta se sono richiesti biomateriali altamente affidabili con eccellenti proprietà meccaniche2.

Una dispersione di entrambi i materiali nella cosiddetta zirconia rinforzata con allumina (ATZ) e allumina rinforzata con zirconio (ZTA) mira a combinare l'elevata resistenza e tenacità di t-ZrO2 con le eccellenti proprietà tribologiche e la resistenza all'invecchiamento di α-Al2O31,2. Inoltre, è noto che piccole quantità di allumina stabilizzano la fase tetragonale della matrice ZrO23 e inibiscono la crescita del grano mediante pinning Zener4. Tuttavia, le proprietà meccaniche delle ceramiche in dispersione ZrO2/Al2O3 descritte in letteratura differiscono enormemente perché dipendono in larga misura dal rapporto e dall'omogeneità della distribuzione delle fasi, dalla dimensione dei grani e dalla porosità, nonché dalla lavorazione e dalla sinterizzazione condizioni1,2,5,6,7,8. A titolo esemplificativo, la resistenza alla flessione σf e la tenacia alla frattura KIc delle ceramiche in dispersione ZrO2/Al2O3 all'avanguardia descritte in letteratura raggiungono fino a 1288 MPa e 6,2 MPa m1/2 per le ceramiche ZTA7 costituite dal 76% in massa di Al2O3 (dimensione media della grana d50 = 730 nm) e 24% in massa di ZrO2 (d50 = 330 nm), rispettivamente, e 1166 MPa e 7,4 MPa m1/2 per la ceramica ATZ2 composta da 80% in massa di ZrO2 e 20% in massa di Al2O3 con valori d50 intorno a 400 nm per entrambi i componenti. È noto che le proprietà meccaniche dei compositi ZrO2/Al2O3 possono essere notevolmente aumentate riducendo le corrispondenti dimensioni dei grani e migliorando l'omogeneità della dispersione di fase9. Inoltre, questi fattori sono critici in condizioni idrotermali. Nella ceramica ZTA la trasformazione spontanea dei grani di ZrO2 da tetragonali a monoclini in un ambiente umido e in un intervallo di temperature compreso tra 20 °C e 300 °C, ovvero la degradazione a bassa temperatura (LTD), avviene più facilmente se la dimensione dei grani è inferiore a un valore critico ( 500nm)10. Inoltre, la loro distribuzione granulometrica ristretta nonché la loro concentrazione e isolamento, ovvero l'assenza di aggregati, sono importanti per l'inibizione della diffusione intergranulare dell'acqua che porterebbe ad una trasformazione prematura10. Per ATZ la dispersione e la distribuzione dimensionale dei grani di Al2O3 sono ancora più critici per il comportamento LTD a causa dell'elevata percentuale di t-ZrO211. A questo scopo potrebbero essere desiderabili nanoparticelle di ZrO2/Al2O3 con una dispersione di fase intraparticolare invece di limitarsi a miscelare diverse porzioni di materie prime.