Tudo o que precisamos saber sobre Zircônia Estabilizada

Frequentemente chamada de aço cerâmico, a zircônia é uma cerâmica técnica resistente que tem sido utilizada em diversas aplicações. Oferece ótima resistência ao desgaste, é superdura e possui boa estabilidade térmica. No entanto, a zircônia é frequentemente estabilizada para retardar suas mudanças de comportamento em relação a cargas térmicas.

O que é zircônia?

O dióxido de zircônio (ZrO2), frequentemente denominado zircônia, é encontrado em sua forma mais pura no minério natural de badeleíta. Sinteticamente, o dióxido de zircônio também pode ser fabricado a partir do zircão. O zircão (ZrSiO4) é frequentemente encontrado em depósitos minerais ou de areia. A zircônia sintética (ZrO2) é preparada pela fusão do suporte de zircão a temperaturas muito altas. A figura abaixo representa a ampla gama de propriedades das cerâmicas.

As propriedades do ZrO2: uma rápida olhada

Conhecer as propriedades da cerâmica de ZrO₂ é muito importante. Vamos dar uma olhada nas principais propriedades.

Para que é usada a zircônia?

Listando algumas das principais aplicações do ZrO2:

• Para a fabricação de válvulas de equipamentos de alta pressão, como válvulas de esfera e sedes associadas

• Revestimento de barreira térmica em motores a diesel e materiais refratários

• Sensores de oxigênio

• Coroas e pontes e outras restaurações e próteses dentárias no corpo

• Para preparar facas, fios e arames cerâmicos temperados

• Usado como fotocatalisador

• A zircônia cúbica é usada como diamante sintético, o que é mais econômico em comparação aos diamantes reais.

• Utilizado para fabricar membranas em células de combustível devido à capacidade de troca iônica.

Zircônia cúbica: um substituto do diamante

O dióxido de zircônio em sua forma cristalina é conhecido como Zircônia Cúbica. A Zircônia Cúbica é um mineral sintético. Às vezes, também é conhecida como silicato de zircônio, pois as pessoas o disfarçam com zircônia. A Zircônia Cúbica é um metal preferido por pessoas que gostam de diamantes e não têm condições financeiras para ter um. No mercado global, a zircônia cúbica é frequentemente usada como pedra preciosa sintética.

São isométricos em sua natureza cristalina e são um bom material para diamantes. A densidade da zircônia cúbica está entre 5,5 e 6 g/cm³. São relativamente duros. O valor de dureza de Mohs está na escala de 8 a 8,5. O índice de refração da zircônia cúbica varia de 2 a 2,18.

Além de ser usado como diamante, a zircônia cúbica também é usada em implantes dentários, componentes estruturais em indústrias e próteses.

O efeito da temperatura no dióxido de zircônio (ZrO2) e a necessidade de estabilização

Vamos discutir o comportamento do dióxido de zircônio em diferentes temperaturas de operação. O ZrO₂ passa por uma transição de fase sob a temperatura aplicada. Durante a mudança de temperatura de 1173 °C para 2370 °C, o ZrO₂ passa de uma estrutura monoclínica para uma tetraédrica. Além disso, quando a temperatura atinge 2690 °C, o ZrO₂ torna-se cúbico e, com o aumento da temperatura, o ZrO₂ funde-se.

Como a transição de fase também indica uma mudança de volume, a cerâmica é propensa a rachaduras e outras deformações. Portanto, a estabilização do ZrO₂ é essencial para que o metal funcione em diferentes temperaturas de aplicação.

Zircônia estabilizada com ítria (Y2O3.ZrO2)

O YSZ é preparado por estabilização à temperatura ambiente com o auxílio de óxido de ítrio (Y2O3). A estabilização envolve a substituição de Zr4+ por íons maiores de ítrio, como Y3+, na estrutura cristalina. Os raios iônicos de Zr4+ e Y3+ são 0,82 A e 0,96 A, respectivamente.

Os estabilizadores comuns, além do ítrio, são magnésia (MgO), céria (CeO2), cálcio (CaO), háfnia (HfO2) e alumina (Al2O3). O ítrio-zircônia estabilizado (YSZ) possui estrutura cúbica.

Vantagens da zircônia estabilizada com ítria (Y2O3) (ZrO2)

As vantagens do Ítrio Zircônia estão listadas abaixo:

• Eles oferecem extrema resistência

• A cerâmica YZS possui alta resistência à temperatura, frequentemente utilizada como revestimento refratário e de barreira térmica

• Eles são resistentes à corrosão

• O YSZ não enferruja e pode ser usado onde há riscos de oxidação.

Aplicações da Zircônia Estabilizada com Ítria (YSZ)

Odontologia

A zircônia estabilizada com ítrio (ZYS) é utilizada na odontologia devido à sua dureza, biocompatibilidade e natureza quimicamente inerte. É utilizada em coroas dentárias, pontes e certas restaurações dentárias. A resistência à corrosão na presença de umidade torna a zircônia-ítrio o melhor constituinte odontológico.

Refratário

A extrema dureza da cerâmica de ítrio a torna um componente ideal para revestimentos refratários e de barreira térmica em motores. A zircônia-ítrio também é usada para fornecer isolamento térmico e manuseio de objetos quentes.

Células de combustível

A zircônia estabilizada com ítria (ZEI) é utilizada na produção de células a combustível de estado sólido. A condutividade do íon oxigênio e a retardância do elétron são as principais propriedades observadas. A temperatura de operação é de cerca de 800 a 1000 °C.

Outros usos

Outros usos da cerâmica de ítrio são: ela é ideal para produzir cimento de extrema durabilidade. As cerâmicas de ítrio são usadas em revestimentos e também em retificação de precisão.

Zircônia estabilizada com magnésia (MSZ)

Em comparação com a zircônia estabilizada com ítria (ZEI), a MSZ apresenta menor condutividade térmica e maior estabilidade em condições úmidas. São resistentes ao desgaste, extremamente tenazes e quimicamente inertes. Em sua estrutura, a MSZ apresenta precipitados tetragonais com grãos cúbicos. Os precipitados ajudam a cerâmica a atingir a estabilidade em sua fase monoclínica.

Propriedades da Zircônia Magnésio

• A temperatura de operação está acima de 220 °C

• As principais características são alta estabilidade térmica, resistência ao desgaste

• Menor condutividade térmica

• A expansão térmica ajuda a formar a conjunção do metal com a cerâmica

• Resistência a ácidos e bases

As principais aplicações do MSZ

• Usado como cerâmica estrutural/técnica

• Componentes e acessórios para válvulas de precisão

• Camisas e pistões de bomba

• Componentes de combustível de óxido sólido

• Usado na conformação de tubos

Zircônia Estabilizada Calcia (CSZ)

A CSZ é formada pela adição de óxido de cálcio ao dióxido de zircônio para estabilizá-lo. O ponto de fusão dessa cerâmica é de 2700 °C. A densidade do material é de cerca de 5,6 g/cm³. São utilizadas em situações que exigem alta estabilidade térmica. Oferecem extrema resistência a choques e ao calor.

Outras aplicações incluem revestimentos para garantir resistência ao desgaste e revestimentos refratários de barreira térmica.

Zircônia Estabilizada Ceria (CSZ)

Este tipo específico de cerâmica, como o próprio nome indica, utiliza céria para estabilizar a zircônia em sua estrutura cristalina. São quimicamente resistentes e são basicamente utilizadas em aplicações que exigem altas temperaturas. A adição de céria melhora a condutividade do oxigênio. São utilizadas em células de combustível e sensores de oxigênio.

A densidade da cerâmica está na faixa de 6,6 g/cm³ e a pureza da zircônia estabilizada com céria é de cerca de 99 1TP³T. As aplicações da CSZ incluem materiais de moagem de alta estabilidade em tintas e indústrias relacionadas. Elas também são usadas como catalisadores em sistemas de escapamento na indústria automobilística.

Zircônia estabilizada por alumina (ASZ)

O ASZ é feito a partir da combinação de alumina de alta qualidade em uma estrutura cristalina de ZrO₂. Sua porcentagem de alumina varia de 10 % a 50%, dependendo do grau requerido. Oferece alta tenacidade à fratura e grande resistência. O ASZ é utilizado em aplicações automotivas, aeroespaciais e em componentes da indústria médica.

A ASZ também é utilizada na fabricação de ferramentas de corte. São utilizadas em aplicações que exigem contrapartes cerâmicas de alto desempenho. A estabilização contribui para o seu perfeito funcionamento em condições adversas. A densidade da alumina utilizada na ASZ é de cerca de 3,7 a 3,8 g/cc.

Zircônia parcialmente estabilizada

A zircônia parcialmente estabilizada (PSZ) contém aproximadamente 10 % de MgO. Esta cerâmica oferece extrema tenacidade e opera em temperaturas mais altas. A PSZ possui uma estrutura tetragonal que, em temperaturas mais altas, se tornaria monoclínica. Este tipo de cerâmica contém cerca de 4% a 10 % de YSZ.

As vantagens do PSZ incluem baixa condutividade térmica, melhor estabilidade estrutural, extrema tenacidade e custo-benefício. São frequentemente utilizados em termopares. Se a tenacidade extrema for uma prioridade, os engenheiros costumam optar pelo PSZ em vez de totalmente estabilizados.

A tenacidade à fratura do PSZ é de 12 MPam² e é misturado com 101TP³T MgO. São bons absorvedores de choque. Esta cerâmica é usada como pinos de área de solda e frequentemente beneficia a indústria de petróleo e gás.

Tabela comparativa de cerâmicas proeminentes

Conclusão

O avanço na tecnologia de materiais garantiu o melhor material para cada área. A funcionalidade é fundamental na escolha de cerâmica de nova geração para a aplicação desejada. A estabilização garante o melhor desempenho na temperatura desejada. Em termos de adaptabilidade, a cerâmica de zircônia estabilizada é, sem dúvida, superior.