La ceramica di zirconia guadagna terreno nelle applicazioni ingegneristiche

Cosa consente a un materiale di resistere a temperature estreme, pressioni elevate e ambienti corrosivi pur mantenendo una durabilità solida come la roccia? La risposta potrebbe risiedere nella ceramica in zirconio. Soprannominato "l'acciaio della ceramica", questo materiale avanzato sta rivoluzionando le industrie, dall'aerospaziale alle applicazioni biomediche, grazie alle sue proprietà eccezionali.

Il biossido di zirconio (ZrO₂), comunemente noto come zirconia, rappresenta una classe critica di materiali inorganici non metallici all'interno della categoria delle ceramiche tecniche. A temperatura ambiente si presenta come un solido bianco con tre distinte strutture cristalline:

• Monoclino (m-ZrO₂)
• Tetragonale (t-ZrO₂)
• Cubico (c-ZrO₂)

La zirconia pura subisce significative variazioni di volume (contrazione del 3-5%) durante le transizioni di fase tra queste strutture cristalline a temperature elevate, portando alla rottura del materiale. Per superare questa limitazione, le applicazioni industriali impiegano tipicamente tecniche di stabilizzazione che utilizzano additivi come ittrio (Y₂O₃), magnesia (MgO) o calcia (CaO) per mantenere le strutture cristalline desiderabili a temperatura ambiente.

La crescente adozione della ceramica in zirconio deriva dalla loro combinazione unica di caratteristiche fisiche e chimiche:

• Forza e tenacità superiori:Tra le ceramiche tecniche, la zirconia mostra la più alta resistenza meccanica, con una resistenza alla frattura che supera significativamente altri materiali ceramici dopo la modifica.
• Durezza estrema:Posizionandosi appena sotto il diamante e il carburo di boro, la zirconia offre un'eccezionale resistenza all'usura.
• Stabilità alle alte temperature:La zirconia adeguatamente stabilizzata mantiene eccellenti proprietà meccaniche e stabilità chimica a temperature superiori a 1000°C.
• Resistenza chimica:Dimostra stabilità contro la maggior parte degli acidi, degli alcali e delle soluzioni saline, sebbene vulnerabile all'acido fluoridrico.
• Isolamento termico:La bassa conduttività termica lo rende ideale per rivestimenti di barriera termica e applicazioni di isolamento.
• Biocompatibilità:Le proprietà non tossiche e rispettose dei tessuti ne consentono un uso diffuso negli impianti medici e nelle applicazioni dentali.
• Proprietà elettriche:Elevata resistività come isolante, con conduttività ionica ottenibile tramite drogaggio per applicazioni di celle a combustibile a ossido solido.

I ricercatori hanno sviluppato molteplici approcci per superare i limiti della trasformazione di fase della zirconia e migliorare le prestazioni:

• Zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ):La variante più utilizzata, che offre eccellente resistenza alle alte temperature e tenacità per rivestimenti barriera termica e componenti di celle a combustibile.
• Zirconia stabilizzata alla magnesia (MSZ):Fornisce una resistenza superiore agli shock termici per applicazioni refrattarie.

• Rafforzamento della trasformazione:Utilizza la trasformazione martensitica indotta dallo stress per assorbire energia nella zirconia parzialmente stabilizzata.
• Rafforzamento della dispersione:Incorpora particelle di fase secondaria (Al₂O₃, SiC) per alterare i percorsi di propagazione delle cricche.
• Rinforzo in fibra:Impiega fibre ceramiche per colmare le crepe e prevenirne l'estensione.

La combinazione della zirconia con altre ceramiche (ad esempio l'allumina) crea materiali compositi con maggiore robustezza, tenacità e resistenza all'usura.

La tabella seguente mette a confronto le proprietà chiave di varie ceramiche di zirconio stabilizzate:

Le ceramiche di zirconio svolgono funzioni critiche in più settori:

• Tecnologia medica:Le protesi articolari, gli impianti dentali e gli strumenti chirurgici beneficiano di biocompatibilità e resistenza all'usura.
• Componenti di usura:Cuscinetti, guarnizioni e utensili da taglio sfruttano una durezza e una durata eccezionali.
• Sistemi ad alta temperatura:Crogioli, rivestimenti di forni e ugelli di spruzzatura termica sfruttano la stabilità termica.
• Sistemi energetici:Gli elettroliti delle celle a combustibile a ossido solido sfruttano la conduttività ionica.
• Aerospaziale:I rivestimenti a barriera termica proteggono i componenti della turbina dal calore estremo.

La tabella seguente descrive in dettaglio le prestazioni della zirconio contro vari agenti chimici:

Con l’avanzare della scienza dei materiali, le ceramiche in zirconio continuano ad evolversi attraverso tecniche di produzione migliorate e nuove formulazioni di compositi. La loro combinazione unica di robustezza meccanica, stabilità termica e biocompatibilità garantisce una crescente adozione in applicazioni ingegneristiche ad alte prestazioni. La ricerca in corso si concentra sul miglioramento della stabilità di fase, della resistenza alla frattura e delle capacità multifunzionali per affrontare ambienti operativi sempre più esigenti.