Cerâmica de zircônia ganha força em aplicações de engenharia

O que permite que um material resista a temperaturas extremas, altas pressões e ambientes corrosivos, mantendo ao mesmo tempo uma durabilidade sólida? A resposta pode estar na cerâmica de zircônia. Apelidado de “o aço da cerâmica”, este material avançado está revolucionando indústrias, desde a aeroespacial até aplicações biomédicas, através de suas propriedades excepcionais.

O dióxido de zircônio (ZrO₂), comumente conhecido como zircônia, representa uma classe crítica de materiais inorgânicos não metálicos dentro da categoria de cerâmica técnica. À temperatura ambiente, aparece como um sólido branco com três estruturas cristalinas distintas:

• Monoclínico (m-ZrO₂)
• Tetragonal (t-ZrO₂)
• Cúbico (c-ZrO₂)

A zircônia pura sofre alterações significativas de volume (3-5% de contração) durante as transições de fase entre essas estruturas cristalinas em temperaturas elevadas, levando à fissuração do material. Para superar esta limitação, as aplicações industriais normalmente empregam técnicas de estabilização usando aditivos como ítria (Y₂O₃), magnésia (MgO) ou cálcio (CaO) para manter estruturas cristalinas desejáveis ​​à temperatura ambiente.

A crescente adoção da cerâmica de zircônia decorre de sua combinação única de características físicas e químicas:

• Força e resistência superiores:Entre as cerâmicas técnicas, a zircônia apresenta a maior resistência mecânica, com tenacidade à fratura superando significativamente outros materiais cerâmicos após modificação.
• Dureza Extrema:Classificada logo abaixo do diamante e do carboneto de boro, a zircônia oferece excelente resistência ao desgaste.
• Estabilidade em altas temperaturas:A zircônia adequadamente estabilizada mantém excelentes propriedades mecânicas e estabilidade química em temperaturas superiores a 1000°C.
• Resistência Química:Demonstra estabilidade contra a maioria dos ácidos, álcalis e soluções salinas, embora vulnerável ao ácido fluorídrico.
• Isolamento Térmico:A baixa condutividade térmica o torna ideal para revestimentos de barreira térmica e aplicações de isolamento.
• Biocompatibilidade:As propriedades não tóxicas e amigáveis ​​aos tecidos permitem o uso generalizado em implantes médicos e aplicações dentárias.
• Propriedades Elétricas:Alta resistividade como isolante, com condutividade iônica alcançável através de dopagem para aplicações em células de combustível de óxido sólido.

Os pesquisadores desenvolveram múltiplas abordagens para superar as limitações da transformação de fase da zircônia e melhorar o desempenho:

• Zircônia estabilizada com ítria (YSZ):A variante mais utilizada, oferecendo excelente resistência e tenacidade em altas temperaturas para revestimentos de barreira térmica e componentes de células de combustível.
• Zircônia estabilizada com magnésia (MSZ):Fornece resistência superior ao choque térmico para aplicações refratárias.

• Endurecimento da Transformação:Utiliza transformação martensítica induzida por estresse para absorver energia em zircônia parcialmente estabilizada.
• Fortalecimento da Dispersão:Incorpora partículas de fase secundária (Al₂O₃, SiC) para alterar os caminhos de propagação de fissuras.
• Reforço de fibra:Emprega fibras cerâmicas para colmatar fissuras e evitar extensão.

A combinação da zircônia com outras cerâmicas (por exemplo, alumina) cria materiais compósitos com maior resistência, tenacidade e resistência ao desgaste.

A tabela a seguir compara as principais propriedades de várias cerâmicas de zircônia estabilizadas:

A cerâmica de zircônia desempenha funções críticas em vários setores:

• Tecnologia Médica:Substituições de articulações, implantes dentários e instrumentos cirúrgicos beneficiam-se da biocompatibilidade e da resistência ao desgaste.
• Componentes de desgaste:Rolamentos, vedações e ferramentas de corte proporcionam dureza e durabilidade excepcionais.
• Sistemas de alta temperatura:Cadinhos, revestimentos de fornos e bicos de pulverização térmica utilizam estabilidade térmica.
• Sistemas de Energia:Os eletrólitos de células a combustível de óxido sólido exploram a condutividade iônica.
• Aeroespacial:Os revestimentos de barreira térmica protegem os componentes da turbina contra calor extremo.

A tabela a seguir detalha o desempenho da zircônia contra vários agentes químicos:

À medida que a ciência dos materiais avança, a cerâmica de zircônia continua a evoluir através de técnicas de fabricação aprimoradas e novas formulações de compósitos. Sua combinação única de robustez mecânica, estabilidade térmica e biocompatibilidade garante uma adoção crescente em aplicações de engenharia de alto desempenho. A pesquisa em andamento se concentra em melhorar a estabilidade de fase, a resistência à fratura e as capacidades multifuncionais para atender ambientes operacionais cada vez mais exigentes.