La cerámica de zirconia gana terreno en aplicaciones de ingeniería

¿Qué le permite a un material resistir temperaturas extremas, altas presiones y ambientes corrosivos, manteniendo al mismo tiempo su solidez como una roca?Llamado "el acero de la cerámica"Este material avanzado está revolucionando las industrias desde la aeroespacial hasta las aplicaciones biomédicas gracias a sus propiedades excepcionales.

El dióxido de zirconio (ZrO2), comúnmente conocido como zirconio, representa una clase crítica de materiales inorgánicos no metálicos dentro de la categoría de cerámica técnica.aparece como un sólido blanco con tres estructuras cristalinas distintas:

• Se trata de una prueba de la composición de la sustancia.
• Tetragonal (t-ZrO2)
• Cubico (c-ZrO2)

La zirconia pura sufre cambios significativos de volumen (contracción del 3-5%) durante las transiciones de fase entre estas estructuras cristalinas a temperaturas elevadas, lo que conduce al agrietamiento del material.Para superar esta limitación, las aplicaciones industriales suelen emplear técnicas de estabilización que utilizan aditivos como yttria (Y2O3), magnesia (MgO) o calcio (CaO) para mantener las estructuras cristalinas deseables a temperatura ambiente.

La creciente adopción de cerámicas de zirconio se debe a su combinación única de características físicas y químicas:

• Fuerza y dureza superiores:Entre las cerámicas técnicas, el zirconio presenta la mayor resistencia mecánica, con una resistencia a la fractura que supera significativamente a otros materiales cerámicos después de la modificación.
• Extrema dureza:Clasificada justo por debajo del diamante y el carburo de boro, la zirconia ofrece una resistencia al desgaste excepcional.
• Estabilidad a altas temperaturas:El zirconio debidamente estabilizado mantiene excelentes propiedades mecánicas y estabilidad química a temperaturas superiores a 1000 °C.
• Resistencia química:Demuestra estabilidad contra la mayoría de los ácidos, álcalis y soluciones de sal, aunque es vulnerable al ácido fluorhídrico.
• El aislamiento térmico:Su baja conductividad térmica lo hace ideal para recubrimientos de barrera térmica y aplicaciones de aislamiento.
• Biocompatibilidad:Las propiedades no tóxicas y amigables con los tejidos permiten su uso generalizado en implantes médicos y aplicaciones dentales.
• Propiedades eléctricas:Alta resistividad como aislante, con conductividad iónica alcanzable mediante dopado para aplicaciones de pilas de combustible de óxido sólido.

Los investigadores han desarrollado múltiples enfoques para superar las limitaciones de transformación de fase de la zirconia y mejorar el rendimiento:

• Circonio estabilizado con itrio (YSZ):La variante más utilizada, que ofrece una excelente resistencia a altas temperaturas y dureza para revestimientos de barrera térmica y componentes de pilas de combustible.
• Circonio estabilizado con magnesio (MSZ):Proporciona una resistencia superior al choque térmico para aplicaciones refractarias.

• Refuerzo de transformación:Utiliza la transformación martensítica inducida por estrés para absorber energía en zirconio parcialmente estabilizado.
• Refuerzo de dispersión:Incorpora partículas de fase secundaria (Al2O3, SiC) para alterar las rutas de propagación de grietas.
• Refuerzo de fibra:Utiliza fibras cerámicas para cerrar grietas y evitar la extensión.

La combinación de zirconio con otras cerámicas (por ejemplo, alumina) crea materiales compuestos con mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste.

La siguiente tabla compara las propiedades clave de varias cerámicas estabilizadas de zirconio:

La cerámica de zirconio cumple funciones críticas en múltiples sectores:

• Tecnología médica:Las prótesis articulares, los implantes dentales y los instrumentos quirúrgicos se benefician de la biocompatibilidad y la resistencia al desgaste.
• Componentes de desgaste:Los rodamientos, los sellos y las herramientas de corte aprovechan una dureza y durabilidad excepcionales.
• Sistemas de alta temperatura:Los crisol, los revestimientos de los hornos y las boquillas de pulverización térmica utilizan estabilidad térmica.
• Sistemas energéticos:Los electrolitos de la pila de combustible de óxido sólido explotan la conductividad iónica.
• Aeroespacial:Los recubrimientos de barrera térmica protegen los componentes de las turbinas del calor extremo.

La siguiente tabla detalla el rendimiento del zirconio frente a diversos agentes químicos:

A medida que avanza la ciencia de los materiales, la cerámica de zirconio continúa evolucionando a través de técnicas de fabricación mejoradas y nuevas formulaciones compuestas.Estabilidad térmicaLa investigación en curso se centra en mejorar la estabilidad de fase, la resistencia a las fracturas, la seguridad y la seguridad de los equipos.y capacidades multifuncionales para hacer frente a entornos operativos cada vez más exigentes.