Alúmina reforzada con circonio (ZTA): una revolución en cuanto a resistencia y durabilidad

La cerámica compuesta con matriz de alúmina reforzada con circonio ofrece unas características óptimas de dureza, tenacidad a la fractura y resistencia a la flexión. Este tipo de cerámicas de circonio suelen ser menos susceptibles a la degradación a bajas temperaturas y al deterioro inducido por tensiones, y además presentan unas propiedades mecánicas elevadas.

Fuerza

La alúmina reforzada con circonio presenta una matriz de alúmina dopada con aditivos de itria y óxido de cromo para proteger la circonio de la degradación hidrotérmica, al atrapar las moléculas de humedad en su superficie e impedir su difusión hacia la fase de circonio. Además, se sabe que estos aditivos reducen la cinética de la transformación de fase (Pezzotti et al., 2010a).

Las cerámicas ZTA presentan una elevada resistencia mecánica gracias al endurecimiento por transformación. Cuando se someten a tensión, las partículas de circonio cambian su estructura cristalina, pasando de una estructura tetragonal metaestable a una monoclínica, lo que provoca una expansión volumétrica que comprime la matriz de alúmina circundante, impidiendo así la propagación de grietas y aumentando la tenacidad a la fractura.

La adición de itria y cromo a la matriz de alúmina puede aumentar su resistencia al ataque químico del agua o los fluidos corporales, lo que resulta especialmente relevante en aplicaciones médicas en las que puede producirse corrosión asistida por tensión de la alúmina al entrar en contacto con agua o fluidos corporales. Esta característica hace que el material resulte aún más adecuado para la protección contra la corrosión asistida por tensión en entornos médicos, donde el contacto con el agua o los fluidos corporales podría provocar la corrosión asistida por tensión de los sustratos de alúmina.

Biolox Delta, de CeramTec, es un ejemplo de material cerámico ZTA y se ha implantado en más de 320 000 cabezas femorales y 160 000 revestimientos acetabulares para proporcionar resistencia, tenacidad, resistencia a la fractura y resistencia al desgaste que superan a las de la alúmina pura, algo que ningún otro biomaterial cerámico utilizado actualmente en aplicaciones ortopédicas puede igualar.

Dureza

La combinación de tenacidad y resistencia de la circonia la convierte en un excelente material de corte, especialmente para cortar materiales de alto rendimiento como el nitruro de boro cúbico (CBN). Su resistencia superior al desgaste le permite trabajar a altas velocidades con menos generación de calor y vibraciones que las herramientas de carburo de tungsteno, al tiempo que es químicamente inerte, presenta baja fricción y destaca por su buena dureza en caliente y resistencia a la rotura en comparación con los metales. Además, la ZTA presenta una expansión térmica relativamente baja, lo que la hace adecuada para entornos de mecanizado con contenido de humedad, como las superficies mecanizables de CBN o metales.

Garvie et al. (1975) descubrieron que los precipitados metaestables tetragonales finamente dispersos podían transformarse en fase monoclínica mediante tratamientos químicos, lo que proporcionaba mejores propiedades mecánicas, como la resistencia a la flexión y la tenacidad. Las aplicaciones comerciales utilizan estabilizadores para controlar este proceso de transformación y aumentar la tenacidad; por ejemplo, CeramTec ha comercializado Biolox Delta ZTA con itria como estabilizador, así como aditivos que contienen cromo y estroncio para potenciar los mecanismos de endurecimiento dentro de su matriz de alúmina.

El tamaño de las partículas de circonio desempeña un papel fundamental en el endurecimiento, ya que las partículas más pequeñas proporcionan una mejor dispersión y favorecen la formación de microfisuras. Además, al modificar la proporción entre circonio y alúmina, los diseñadores pueden adaptar las propiedades de la cerámica específicamente a cada aplicación: las varillas y los tubos para implantes médicos, los manguitos aislantes para componentes de aeronaves que vuelan a gran altitud o los componentes de automoción pueden beneficiarse de piezas a medida creadas específicamente con cerámica de circonio.

Rigidez

Las cerámicas de circonio son materiales duros, resistentes al desgaste y térmicamente estables que ofrecen una resistencia excepcional a la fricción, lo que las hace idóneas para herramientas de corte. Sus propiedades —combinadas con una elevada elasticidad y tenacidad a la fractura— también convierten a la ZTA en un material excelente. Cuando se calienta a temperaturas normales, el ZTA ofrece un rendimiento superior al de la alúmina pura, gracias a su mayor resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura; sus propiedades mecánicas pueden incluso adaptarse a las necesidades específicas de cada aplicación en función de la proporción de circonio y alúmina presente en su composición.

La alúmina reforzada con circonio (ZTA) destaca como una opción atractiva frente a la circonia monolítica gracias a sus propiedades encapsulantes. Mientras que la circonia monolítica es susceptible a la quimisorción de moléculas de agua y a la degradación a bajas temperaturas, la ZTA proporciona una matriz protectora que encapsula las transformaciones locales en su interior, lo que limita la propagación de dichas transformaciones.

El mecanismo de encapsulación del ZTA no solo evita la degradación a bajas temperaturas, sino que también hace que el material sea menos vulnerable a la corrosión asistida por tensión en agua o fluidos corporales, debido a que la transformación localizada de los granos de circonio tetragonal a monoclínico se produce dentro de cada grano de circonio, en lugar de extenderse por todo el material. Además, el ZTA es menos propenso a la propagación de grietas bajo cargas de fatiga debido a su capacidad para resistir la deformación a temperaturas elevadas.

Durabilidad

La alúmina reforzada con circonio (ZTA) es el resultado de combinar la resistencia y la durabilidad de la circonio con la resistencia a la abrasión de la alúmina, lo que da lugar a un material técnico avanzado que supera a ambos materiales por separado. La ZTA, una cerámica compuesta a base de circonio, es mucho más duradera que cualquiera de sus componentes por separado; además, presenta una mayor resistencia a la corrosión y soporta temperaturas más elevadas que las alúminas estándar.

Un factor esencial de la durabilidad de la ZTA radica en su capacidad para mantener su fase tetragonal metaestable incluso a temperaturas más elevadas, gracias a la incorporación de alúmina como agente estabilizador en su matriz. La alúmina también presenta un módulo elástico mucho mayor que la circonia monolítica, lo que contribuye a absorber la energía química y mecánica que, de otro modo, provocaría la transformación en fases monoclínicas y una mayor degradación de la alúmina reforzada con circonia. Los ensayos estáticos y cíclicos realizados tanto con alúmina como con circonio monolítico han demostrado que la ZTA ofrece una tenacidad y un umbral de tensión para la propagación de grietas significativamente superiores a los del circonio monolítico. La combinación de alta resistencia y tenacidad de la circonia y la alúmina proporciona una resistencia al desgaste superior para aplicaciones sometidas a cargas, lo que la hace perfecta para su uso en componentes ortopédicos, como prótesis de cadera, o en cortadores y herramientas industriales, juntas resistentes a la abrasión o aplicaciones mineras.