Alúmina reforçada com zircônia (ZTA) – Uma revolução em resistência e durabilidade

A cerâmica composta com matriz de alumina reforçada com zircônia oferece características ideais de dureza, tenacidade à fratura e resistência à flexão. Esse tipo de cerâmica de zircônia tende a ser menos suscetível à degradação em baixas temperaturas e à deterioração induzida por tensão, além de apresentar propriedades mecânicas robustas.

Força

A alumina reforçada com zircônia apresenta uma matriz de alumina dopada com aditivos de ítria e óxido de cromo para proteger a zircônia da degradação hidrotérmica, retendo moléculas de umidade em suas superfícies e impedindo sua difusão na fase de zircônia. Além disso, sabe-se que esses aditivos reduzem a cinética de transformação de fase (Pezzotti et al., 2010a).

As cerâmicas ZTA apresentam alta resistência mecânica por meio do endurecimento por transformação. Quando submetidas a tensão, as partículas de zircônia alteram sua estrutura cristalina, passando de uma estrutura tetragonal metaestável para uma estrutura monclínica, o que provoca uma expansão de volume que comprime a matriz de alumina ao redor, impedindo a propagação de trincas e aumentando a tenacidade à fratura.

A adição de ítria e cromo à matriz de alumina pode aumentar sua resistência ao ataque químico da água ou de fluidos corporais, o que é particularmente relevante em aplicações médicas nas quais pode ocorrer corrosão assistida por tensão da alumina em contato com água ou fluidos corporais. Essa característica torna o material ainda mais adequado para a proteção contra a corrosão induzida por tensão em ambientes médicos, onde o contato com água ou fluidos corporais poderia resultar em corrosão induzida por tensão em substratos de alumina.

O Biolox Delta, da CeramTec, é um exemplo de material cerâmico ZTA e já foi implantado em mais de 320.000 cabeças femorais e 160.000 revestimentos acetabulares para proporcionar resistência, tenacidade, resistência à fratura e resistência ao desgaste que superam as da alumina pura — algo que nenhum outro biomaterial cerâmico atualmente utilizado em aplicações ortopédicas consegue igualar.

Resistência

A combinação de tenacidade e resistência da zircônia a torna um excelente material de corte, especialmente para o corte de materiais de alto desempenho, como o nitreto de boro cúbico (CBN). Sua resistência superior ao desgaste permite que ela opere em altas velocidades com menos aquecimento e vibração do que as ferramentas de carboneto de tungstênio, além de ser quimicamente inerte, apresentar baixo atrito e possuir boa dureza a quente e resistência à ruptura em comparação com os metais. Além disso, a ZTA apresenta expansão térmica relativamente baixa, o que a torna adequada para ambientes de usinagem com umidade, como superfícies usináveis de CBN ou metais.

Garvie et al. (1975) descobriram que precipitados metaestáveis tetragonais finamente dispersos poderiam ser transformados na fase monoclínica por meio de tratamentos químicos, proporcionando propriedades mecânicas aprimoradas, como resistência à flexão e tenacidade. Aplicações comerciais utilizam estabilizadores para controlar esse processo de transformação e aumentar a tenacidade — por exemplo, a CeramTec comercializou o Biolox Delta ZTA com ítria como estabilizador, bem como aditivos contendo cromo e estrôncio para potencializar os mecanismos de tenacidade dentro de sua matriz de alumina.

O tamanho das partículas de zircônia desempenha um papel essencial no endurecimento, sendo que partículas menores proporcionam melhor dispersão e formação de microfissuras. Além disso, alterar a proporção entre zircônia e alumina permite que os projetistas adaptem as propriedades da cerâmica especificamente para aplicações individuais — hastes e tubos para implantes médicos, mangas isolantes para componentes de aeronaves de alta altitude ou componentes automotivos podem se beneficiar de peças personalizadas criadas especificamente com cerâmica de zircônia.

Rigidez

As cerâmicas de zircônia são materiais duros, resistentes ao desgaste e termicamente estáveis, que oferecem excelente resistência ao atrito, tornando-as adequadas para ferramentas de corte. Suas propriedades — combinadas com alta elasticidade e tenacidade à fratura — também fazem do ZTA um excelente material. Quando aquecido a temperaturas normais, o ZTA apresenta desempenho superior ao da alumina pura, oferecendo maior resistência à flexão e tenacidade à fratura; suas propriedades mecânicas podem até mesmo ser adaptadas de acordo com as necessidades específicas de cada aplicação, com base na proporção de zircônia e alumina presente em sua composição.

A alumina reforçada com zircônia (ZTA) se destaca como uma opção atraente em relação à zircônia monolítica, graças às suas propriedades de encapsulamento. Enquanto a zircônia monolítica é suscetível à quimisorção de moléculas de água e à degradação em baixas temperaturas, a ZTA oferece uma matriz protetora que encapsula as transformações locais em seu interior, limitando assim a propagação dessas transformações.

O mecanismo de encapsulamento do ZTA não apenas evita a degradação em baixas temperaturas, mas também torna o material menos vulnerável à corrosão assistida por tensão na água ou em fluidos corporais, devido à transformação localizada de grãos de zircônia tetragonal em grãos de zircônia monoclínica, que ocorre dentro de cada grão de zircônia, em vez de se espalhar por todo o material. Além disso, o ZTA é menos propenso à propagação de trincas sob cargas de fadiga devido à sua capacidade de resistir à deformação em temperaturas elevadas.

Durabilidade

A alumina reforçada com zircônia (ZTA) é o resultado da combinação da resistência e durabilidade da zircônia com a resistência à abrasão da alumina, resultando em um material técnico avançado que supera ambos os materiais isoladamente. Como cerâmica composta à base de zircônia, a ZTA é muito mais durável do que cada um de seus componentes individualmente; além disso, apresenta maior resistência à corrosão e suporta temperaturas mais elevadas do que as aluminas padrão.

Um fator essencial para a durabilidade da ZTA reside em sua capacidade de manter sua fase tetragonal metaestável mesmo em temperaturas mais elevadas, graças à incorporação de alumina como agente estabilizador em sua matriz. A alumina também possui um módulo de elasticidade muito maior do que a zircônia monolítica, o que ajuda a absorver a energia química e mecânica que, de outra forma, causaria a transformação em fases monoclínicas e uma maior degradação da alumina reforçada com zircônia. Testes estáticos e cíclicos tanto na alumina quanto na zircônia monolítica demonstraram que a ZTA oferece tenacidade e limite de tensão para propagação de trincas significativamente superiores aos da zircônia monolítica. A combinação de alta resistência e tenacidade da zircônia e da alumina proporciona resistência ao desgaste superior para aplicações que suportam cargas, tornando-a perfeita para uso em componentes ortopédicos, como próteses de quadril, ou em cortadores e ferramentas industriais, vedações resistentes à abrasão ou aplicações de mineração.