Alumina endurecida com zircónio (ZTA)

A alumina reforçada com zircónia (ZTA) é uma cerâmica de engenharia que combina as propriedades das cerâmicas de alumina e de zircónia para proporcionar resistência mecânica e resistência ao choque térmico, tornando-a adequada para aplicações ortopédicas, como cabeças femorais e revestimentos acetabulares, e para aplicações industriais, como vedantes de válvulas, buchas, peças de bombas, ferramentas de corte, componentes de motores e vedantes de válvulas. Pode ser encontrada em aplicações ortopédicas, como cabeças femorais e revestimentos acetabulares, enquanto as aplicações industriais incluem vedantes de válvulas, buchas, vedantes de válvulas, buchas, peças de bombas, ferramentas de corte, ferramentas de corte ou componentes de motores.

O ZTA é produzido através do processo de moldagem por gel, utilizando pó de alumina e pós de zircónia estabilizada com ítria. Este processo inclui a preparação da pasta, a moldagem, a secagem por solvente — recorrendo tanto a processos osmóticos como à secagem ao ar —, a pirólise e a sinterização como etapas finais.

Resistência

A alumina reforçada com zircónia é um material ideal para aplicações que exigem tanto elevada resistência como tenacidade, sendo produzida através da transformação, induzida por tensão, de finas partículas de zircónia tetragonal numa matriz de alumina. Este processo resulta numa distribuição granulométrica uniforme, o que confere propriedades mecânicas superiores, tais como dureza, resistência à fratura e tenacidade — além de oferecer resistência química e ao desgaste.

As partículas de zircónia dispersas numa matriz de alumina são, em geral, impedidas de sofrer alterações devido às interações químicas entre si e com as partículas de alumina, mas podem ser ativadas sob tensão, passando por uma transformação. As partículas de zircónia transformadas criam tensões de compressão nas frentes das fissuras, o que impede a sua propagação; a sua transformação resulta numa tenacidade superior à da alumina tradicional.

Claussen descreveu pela primeira vez o endurecimento por transformação em 1976, o qual se caracteriza pela interação de partículas com as frentes de fissura, desviando-as e, simultaneamente, criando tensões de compressão à frente das pontas das fissuras, aumentando assim a resistência à fratura dos materiais (Claussen 1976). Este efeito aumenta a resistência à fratura.

O ZTA pode ser produzido através de prensagem isostática a quente e é particularmente adequado para materiais de pares de rolamentos em próteses da anca, tendo demonstrado uma durabilidade superior em comparação com as cabeças femorais cerâmicas feitas de zircónia estabilizada com ítria (Y-TZP) (Figura 7.10). Além disso, o seu elevado teor de alumina e a sua maior densidade ajudam a mitigar os fenómenos de envelhecimento observados na Y-TZP, que provocam uma transformação t-m exagerada e degradação mecânica ao longo do tempo (Figuras 7.11 e 7.12).

O ZTA é uma excelente escolha de material para implantes médicos que têm de ser resistentes à corrosão e à exposição a fluidos corporais, tais como os utilizados em salas de operações e em motores de turbina. Em comparação com a alumina tradicional, o ZTA oferece uma resistência superior à corrosão química; consegue suportar ambientes adversos sem se degradar nem falhar. Além disso, o ZTA apresenta uma resistência excecional ao choque térmico, o que significa que consegue tolerar variações rápidas de temperatura, como as que ocorrem em componentes de fornos e de motores de turbina, sem rachar nem partir sob pressão.

Durabilidade

Os compósitos AZ são extremamente resistentes devido às partículas de zircónia reforçada dispersas numa matriz de alumina. Quando expostas a tensão, as partículas alteram as suas estruturas cristalinas, passando da forma tetragonal para a monoclínica, o que provoca uma expansão e compressão do volume que ajuda a travar a propagação de fissuras — esta propriedade, conhecida como «endurecimento por transformação», torna o ZTA da HMA Wear Solutions ideal para aplicações que exigem elevados níveis de resistência, tenacidade e dureza.

A durabilidade aumenta ainda mais quando submetida a choques térmicos. As partículas de zircónia dispersas por toda a matriz de alumina absorvem a energia resultante de mudanças rápidas de temperatura, protegendo-as contra fraturas e fissuras decorrentes da tensão causada por variações bruscas de temperatura. Assim, a cerâmica pode ser utilizada com segurança em equipamentos expostos a mudanças repentinas e intensas de temperatura, tais como componentes de fornos ou peças de motores de turbina, sem risco de avaria.

A alumina reforçada com zircónia é conhecida pela sua resistência à corrosão. Como tal, pode ser utilizada em equipamentos que venham a entrar em contacto com líquidos corrosivos ou produtos químicos, tais como ácidos de gravação e agentes de limpeza. Além disso, a resistência ao desgaste mecânico deste material torna-o adequado para implantes médicos ou dispositivos que entram em contacto com fluidos corporais ou produtos químicos, tais como soluções de limpeza.

Devido à sua durabilidade e resistência à corrosão, os materiais compostos de zircónia-alumina (ZTA) são utilizados em inúmeras indústrias. Os fabricantes de ferramentas de corte optam frequentemente pelos materiais ZTA, que são fortes e resistentes, na conceção de ferramentas de corte; além disso, estes materiais passaram a ser amplamente utilizados na produção de equipamento médico, como implantes ortopédicos, nomeadamente cabeças femorais e revestimentos acetabulares.

Os materiais ZTA utilizados em aplicações médicas apresentam um bom desempenho devido à sua maior tenacidade à fratura — até 20 vezes superior à da alumina isoladamente —, o que contribui para reduzir o risco de falhas frágeis que poderiam causar efeitos adversos na saúde dos doentes.

Resistência à corrosão

A alumina reforçada com zircónia é um material duro e frágil, concebido para suportar altas temperaturas e ambientes adversos. É resistente à corrosão e aos ataques químicos e tem inúmeras aplicações em setores como o aeroespacial, o industrial e o automóvel — além de apresentar uma resistência mecânica superior, resistência ao choque térmico e baixas taxas de desgaste.

As cerâmicas ZTA diferem das cerâmicas tradicionais na medida em que são compostas por compósitos de alumina e zircónia, produzidos através da mistura destes materiais em suspensão antes da sinterização a temperaturas elevadas. A sinterização produz partículas de zircónia em fase tetragonal finamente dispersas numa matriz de alumina; quando as fissuras avançam através desta matriz, a sua energia desencadeia transformações de fase que produzem uma expansão de volume que neutraliza eficazmente quaisquer tensões presentes; isto faz com que surjam fraturas desviadas em vários locais no seu interior, dispersando a energia de fratura ao mesmo tempo que a dissipam por completo.

A composição deste material pode ser adaptada em função da aplicação pretendida, sendo a proporção de alumina e zircónia ajustada conforme necessário para satisfazer os seus requisitos específicos. Por exemplo, poderia ser adicionada mais zircónia à sua formulação para aumentar a resistência à tração, enquanto uma maior quantidade de alumina aumentaria a resistência ao envelhecimento hidrotérmico e à corrosão.

A linha de produtos ZTA-96 foi desenvolvida para oferecer soluções económicas para aplicações que exigem resistência ao desgaste, à corrosão e estabilidade a altas temperaturas. Disponível numa variedade de formas e tamanhos, com tolerâncias e acabamentos personalizados, esta cerâmica pode proporcionar um desempenho fiável em aplicações exigentes.

A alumina reforçada com zircónia é há muito reconhecida pela sua resistência ao desgaste e à corrosão, bem como pela sua excelente estabilidade química — características que a tornam particularmente adequada para aplicações médicas em que entra em contacto com fluidos corporais ou produtos químicos. Além disso, a zircónia é considerada uma opção atraente para implantes dentários e cirúrgicos devido às suas propriedades superiores de compatibilidade biológica.

O Biolox Delta, da CeramTec, de Plochingen, na Alemanha, foi lançado no mercado em 2000 como um dos primeiros materiais ZTA disponíveis comercialmente, destinado a servir de material de substituição em implantes para cabeças femorais e revestimentos acetabulares. Composto por uma matriz de alumina reforçada com zircónia e aluminato de estrôncio, que proporcionam mecanismos de atenuação da ponta da fissura e de endurecimento; juntamente com óxido de crómio para prevenir a corrosão em condições de baixa temperatura; segundo relatórios da CeramTec, já foram implantadas mais de 320 000 cabeças femorais e 160 000 inserções utilizando esta cerâmica restauradora.

Resistência ao choque térmico

Os grãos de zircónia, combinados com uma matriz de alumina, produzem um material com uma resistência excecional ao choque térmico, tornando-o perfeito para aplicações que envolvem temperaturas extremas. Além disso, os compósitos de alumina-zircónia tendem a apresentar um desempenho superior ao da alumina pura em termos de durabilidade, mesmo sob exposição prolongada ao jato de areia.

O ZTA apresenta elevada tenacidade à fratura, o que o torna a escolha ideal em aplicações em que não se pretendem materiais frágeis. No entanto, para obter a máxima resistência e tenacidade, os compósitos de alumina-zircónia devem ser devidamente sinterizados e compactados; uma temperatura demasiado baixa pode resultar em defeitos pontuais e numa redução da resistência à flexão — razão pela qual se deve utilizar 1550 °C para garantir uma fusão ideal e uma distribuição ótima do tamanho das partículas.

Os compósitos de alumina-zircónia proporcionam uma excelente resistência ao desgaste em ferramentas de corte e outros componentes abrasivos e apresentam um baixo coeficiente de atrito, o que lhes confere uma maior inércia química e um custo mais baixo em comparação com materiais semelhantes utilizados em implantes ortopédicos. A combinação destas propriedades torna estes compósitos altamente procurados em aplicações médicas.

A aplicação de tensão aos compósitos de alumina-zircónia faz com que a zircónia tetragonal metaestável sofra uma transformação para zircónia monoclínica e provoque uma expansão do volume dos cristais de zircónia, afastando as pontas das fissuras e melhorando simultaneamente a tenacidade — este efeito é conhecido como endurecimento por transformação induzida por tensão.

A alumina reforçada com zircónia é conhecida pela sua resistência e durabilidade, além de ser um isolante elétrico — o que a torna uma excelente escolha de material para componentes que exigem isolamento tanto mecânico como elétrico, como é o caso das mangas.

Os compósitos de alumina-zircónia fabricados com zircónia estabilizada com ítria (8YSZ) revelaram-se superiores aos fabricados com alumina não estabilizada, a um custo igualmente competitivo. As aplicações ideais incluem situações em que tanto a resistência à abrasão como boas propriedades de isolamento elétrico são essenciais — este material suporta temperaturas até 1500 °C!