Você já deve ter ouvido falar do material de zircônia sendo usado em componentes industriais ou coroas dentárias devido à sua tenacidade. Mas você já se perguntou por que essa cerâmica é tão resistente? O segredo está em um processo chamado têmpera por transformação. Neste artigo, você aprenderá como funciona.
Como funciona o processo de têmpera por transformação de zircônia?
Também conhecido como Dióxido de zircônioA zircônia é um material volátil que existe em três fases cristalinas diferentes.
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A fase monoclínica (quando está em temperatura ambiente)
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Fase tetragonal (quando está em uma temperatura mais alta)
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Fase cúbica (quando está em uma temperatura muito alta)
Funciona assim - quando zircônia (zro2) Ao resfriar devido a altas temperaturas, ele passa da fase tetragonal para a monoclínica. Enquanto isso acontece, há uma expansão de volume na faixa de 3-4%, o que pode causar rachaduras no material. Isso é indesejável, mas, sob certas condições, essa transformação pode ser controlada para funcionar a seu favor.
Aqui está o truque - mantenha cerâmica zro2 em sua fase tetragonal, adicionando estabilizantes como ítria (Y₂O₃), magnésia (MgO), etc. Esses elementos controlam o tamanho do grão para evitar transformações de fase indesejadas. Como resultado, a dureza da zircônia se manterá independentemente da mudança de temperatura.
Quando isso acontece, você só consegue desencadear sua transformação para a fase monoclínica aplicando tensão. Assim, quando uma trinca começa a se formar, a tensão ao redor da ponta desencadeará sua conversão para a fase monoclínica.
A transformação vem com uma expansão de volume que sela a fissura, dificultando sua propagação. Em suma, uma zircônia temperada por transformação possui um mecanismo de defesa que o impede de fraturar ou rachar. Enquanto outros materiais enfraquecem quando racham, Cerâmica de óxido de zircônio fica mais forte.
Aplicações reais da zircônia de têmpera por transformação
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Implantes dentários, pontes e coroas: A zircônia é usada em próteses dentárias porque suporta o estresse da mastigação sem lascas ou rachaduras. Além disso, é biocompatível, o que evita reações adversas no seu corpo.
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Ferramentas de corte: Metalúrgicos e maquinistas preferem a zircônia na fabricação de facas e lâminas por sua incrível durabilidade. Além disso, apresentam melhor desempenho quando utilizadas em condições de corte de alta velocidade, que podem causar rachaduras em outros materiais.
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Revestimentos de barreira térmica: Condutividade térmica do óxido de zircônio é bastante baixo, o que o torna um isolante térmico perfeito. Por esse motivo, engenheiros aeroespaciais o utilizam como revestimento de barreira térmica para motores a jato e turbinas a gás. Ele protegerá componentes metálicos do calor extremo e ciclo térmico e melhorar sua expectativa de vida.
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Implantes ortopédicos: A zircônia é usada nas articulações do quadril e nas próteses de joelho devido à sua resistência ao estresse e ao desgaste nos movimentos corporais.
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Componentes automotivos: Alguns componentes do seu motor, peças do injetor de combustível e válvulas são feitos com material de zircônia para alta resistência ao desgaste. Estrutura cristalina de zircônia é perfeito para motores de alto desempenho porque pode suportar altas temperaturas e estresse mecânico.
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Instrumentos cirúrgicos: Este material é usado na fabricação de pinças, tesouras e bisturis, mantendo-os afiados, não corrosivos e resistentes ao desgaste. Além disso, possuem longa vida útil e são resistentes a fraturas, mesmo após múltiplos ciclos de esterilização.
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Selos e rolamentos industriais: O dióxido de zircônio é usado para fazer rolamentos e vedações que podem suportar cargas pesadas, atrito e ambientes adversos.
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Relógios de luxo: A zircônia é usada na fabricação de muitas das caixas de relógios de luxo que você conhece. Eles preferem esse material porque ele torna as caixas leves, resistentes a arranhões, visualmente atraentes e duráveis.
Na maioria das vezes, os fabricantes têm que se contentar com o material superior em lixas de zircônia vs. cerâmica. No entanto, a zircônia se destaca quando se trata de aplicações de alto estresse.
Os desafios da tenacidade da transformação da zircônia e suas soluções
Degradação em baixa temperatura (envelhecimento)
O envelhecimento é o principal desafio associado ao processo de têmpera por transformação. Veja bem, quando a zircônia é exposta à umidade e a baixas temperaturas, ocorre uma transformação de fase indesejada. Como resultado, ela fica mais fraca e surgem microfissuras, resultando em superfícies rugosas.
A solução: Utilize materiais de alta pureza com estabilizantes avançados como a céria (CeO₂) em vez da tradicional ítria (Y₂O₃). Isso aumentará a resistência da zircônia ao envelhecimento.
A zircônia se torna quebradiça se os tamanhos dos grãos forem muito grandes
Zircônia temperada por transformação pode perder sua tenacidade se os tamanhos dos grãos se expandirem excessivamente na fase tetragonal. Quanto maior o grão, mais propenso o material estará a transformações espontâneas sem tensão externa. Como resultado, você notará que o material se tornará mais suscetível a rachaduras.
Você pode estar se perguntando por que a cerâmica de zircônia, que supostamente é resistente, pode ter grãos grandes. Bem, é possível que o material não tenha passado por um processo adequado. sinterização processos durante a fabricação. Portanto, as partículas não serão aquecidas uniformemente abaixo do ponto de fusão do zro2, resultando em tamanhos de grãos elevados. Não é possível usar essa zircônia em aplicações de alta tensão, como componentes de motor ou ferramentas de corte.
A solução: Utilize zircônia nanogranulada. Como alternativa, você pode controlar cuidadosamente as temperaturas e os tempos de sinterização para atingir o tamanho de grão ideal.
Altos custos de fabricação
A produção de zircônia temperada por transformação envolve processos complexos. É preciso dopar com estabilizantes e ser preciso na sinterização do material, o que é muito mais difícil do que parece. Também é preciso manter um controle rigoroso sobre o tamanho do grão, a estabilidade da fase e a pureza. Por isso, a zircônia é mais cara do que outros materiais cerâmicos.
A solução: Pesquisadores estão trabalhando na impressão 3D e melhorando a eficiência da sinterização para reduzir os custos de fabricação.
Resistência limitada ao choque térmico
Embora a zircônia seja resistente, ela ainda é propensa a choques térmicos se exposta a mudanças bruscas de temperatura. Quando ocorre o choque térmico, você verá microfissuras na superfície, especialmente se for um componente fino.
A solução: Use revestimentos térmicos graduados ou cerâmica híbrida para melhorar a resistência ao choque térmico.
Quais são os avanços recentes no fortalecimento da transformação?
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Zircônia nanogranulada - para aumentar o efeito de endurecimento
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Dopantes avançados - para melhorar a resistência ao envelhecimento e a tenacidade
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Cerâmicas híbridas - combinam zircônia com outros materiais para melhor desempenho em determinadas aplicações.
Palavras Finais
O processo de têmpera por transformação é o que distingue a zircônia de outras cerâmicas, pois não apenas a torna resiliente, mas também auto-reforçada. Portanto, da próxima vez que você ouvir falar de zircônia, saberá por que ela é resistente o suficiente para estancar rachaduras.