A zircônia , caracterizada por seus altos pontos de fusão e ebulição, bem como por sua dureza, é um isolante à temperatura ambiente, mas apresenta excelente condutividade elétrica em altas temperaturas. Consequentemente, possui imenso potencial para aplicações em diversos campos como mecânica, eletrônica , óptica, biologia e catálise, servindo como materiais cerâmicos estruturais e funcionais. Além disso, a zircônia desempenha um “papel de apoio” fundamental na produção de cerâmicas avançadas, onde a adição de uma pequena quantidade de zircônia pode melhorar significativamente o desempenho de outros materiais cerâmicos.
I. Cerâmica composta de alumina temperada com zircônia
A propriedade de transformação da fase martensítica do ZrO2 aumenta a tenacidade à fratura e a resistência à flexão dos materiais cerâmicos, conferindo-lhes excelentes propriedades mecânicas. Além disso, a baixa condutividade térmica da zircônia e a excelente resistência ao choque térmico podem aliviar o problema de fragilidade dos materiais cerâmicos. Em resumo, a tenacidade utiliza principalmente a transformação da fase martensítica do ZrO2, que absorve a energia gerada durante a transição da estrutura tetragonal para a estrutura monoclínica, inibindo a propagação e extensão da trinca.
Com base neste mecanismo, a introdução de zircônia na cerâmica Al2O3 resulta em cerâmica de alumina temperada com zircônia (ZTA) . O ZrO2 exibe efeitos de tenacidade por transformação de fase e tenacidade por microfissuras na cerâmica Al2O3 , fortalecendo e endurecendo o material. Como resultado, a cerâmica ZTA é considerada um dos materiais mais promissores em cerâmica estrutural.
II. O impacto da zircônia na resistência ao choque térmico da cerâmica de magnésia
A cerâmica de magnésia possui excelente resistência a altas temperaturas, isolamento elétrico e forte resistência a escórias de metais alcalinos. É quimicamente inerte a metais como magnésio, níquel, urânio, tório, zinco, alumínio, ferro, cobre e platina, tornando-o adequado para aplicações como cadinhos para fundição de metais, moldes para fundição de metais, tubos de proteção para termopares de alta temperatura e materiais de revestimento para fornos de alta temperatura. No entanto, sob condições de rápidas mudanças de temperatura (choque térmico), a resistência da cerâmica de magnésia diminui significativamente, levando à lascagem ou mesmo à fragilidade, reduzindo assim a segurança e a confiabilidade do seu serviço. Portanto, aumentar a resistência ao choque térmico da cerâmica de magnésia e prolongar a sua vida útil a altas temperaturas são de importância prática significativa.
A pesquisa revelou que a adição de zircônia nanomonoclínica pode melhorar a uniformidade microestrutural da cerâmica de magnésia, reduzir as temperaturas de sinterização e promover a densificação da amostra. Amostras com adições de zircônia nano-monoclínica exibem maior resistência ao choque térmico por meio de endurecimento por microfissuras, endurecimento por transformação de fase e endurecimento por deflexão de microfissuras.
III. O impacto da zircônia em ligantes cerâmicos para abrasivos superduros
Os ligantes cerâmicos de baixa temperatura são um componente crucial na preparação de abrasivos superduros de alto desempenho ligados a cerâmica (diamante, nitreto cúbico de boro) e suas propriedades influenciam diretamente o desempenho geral desses abrasivos. Os requisitos básicos de desempenho para ligantes cerâmicos em abrasivos superduros incluem alta resistência, baixas temperaturas de amolecimento e fusão, pequenos coeficientes de expansão térmica e boas propriedades de umedecimento em altas temperaturas. Além disso, devido à alta dureza e resistência ao desgaste das partículas abrasivas superduras, a maioria dos ligantes cerâmicos para abrasivos superduros são usados em velocidades de rotação relativamente altas. Portanto, para garantir que as partículas abrasivas possam exercer plenamente o seu desempenho de retificação, os ligantes cerâmicos para abrasivos superduros devem possuir alta resistência.
Utilizando o sistema B2O3-Al2O3-SiO2 como ligante cerâmico de base e adicionando quantidades variadas de nano-ZrO2 como aditivo, os pesquisadores estudaram o efeito de seu conteúdo na estrutura e nas propriedades dos ligantes cerâmicos. Os resultados indicam que com o aumento do teor de nano-ZrO2, o desempenho geral atinge seu pico quando o teor é de 8%, exibindo uma resistência à flexão de 63,41 MPa e uma dureza Rockwell de 129,8 HRC. O ligante cerâmico também apresenta distribuição uniforme de poros e uma boa microestrutura.
Em outro estudo, os pesquisadores prepararam ligantes cerâmicos incorporando ZrO2 em um vidro à base de Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 e investigaram o efeito do teor de ZrO2 no desempenho de abrasivos de nitreto cúbico de boro. Os resultados mostraram que à medida que o teor de ZrO2 aumenta, a fluidez em alta temperatura diminui e o ZrO2 promove a cristalização na fase vítrea. Quando o teor de ZrO2 é de 1%, a dureza da tira de teste abrasiva atinge HRB110.6 e a resistência à flexão aumenta 27,9% para 68,23 MPa. Além disso, a resistência ao desgaste melhora significativamente, com um aumento da taxa de desgaste de 119%.
4. O impacto da zircônia na cerâmica à base de corindo
Os corpos regenerativos cerâmicos à base de corindo possuem diversas vantagens, incluindo excelente estabilidade química, resistência a altas temperaturas, resistência à erosão e resistência superior. No entanto, eles são propensos à fragilidade e à baixa resistência ao choque térmico. Atualmente, existe uma vasta literatura explorando o aumento da resistência ao choque térmico e o endurecimento de cerâmicas à base de corindo através do nano-ZrO2.
Através de pesquisas sobre as propriedades de corpos regenerativos cerâmicos à base de corindo endurecidos com nano-zircônia, descobriu-se que o nano-ZrO2, como partícula de segunda fase, é disperso dentro da matriz cerâmica, aumentando sua resistência e resistência ao choque térmico. O efeito de endurecimento do nano-ZrO2 está intimamente relacionado à sua fase cristalina. Quando todo o ZrO2 introduzido está na fase cúbica, a tenacidade por transformação de fase não ocorre, resultando apenas em uma pequena tenacidade por microfissuras. Por outro lado, a presença de uma quantidade apropriada de fases tetragonais e monoclínicas de ZrO2 leva a um efeito sinérgico de tenacidade por transformação de fase e tenacidade por microfissuras, melhorando significativamente a tenacidade do corpo regenerativo cerâmico à base de corindo.
V. O impacto da zircônia na microestrutura e nas propriedades mecânicas da cerâmica AlN prensada a quente
As cerâmicas AlN , conhecidas por sua alta condutividade térmica, excelentes propriedades elétricas e baixo coeficiente de expansão térmica, são materiais ideais para substratos de embalagens de circuitos. Porém, em comparação com materiais cerâmicos como Si3N4 e SiC , as cerâmicas de AlN apresentam menor tenacidade à fratura, o que compromete sua resistência ao choque térmico e aumenta a dificuldade de usinagem.
Pesquisas envolvendo a adição de pó de nano-ZrO2, combinado com auxiliares de sinterização Y2O3, foram conduzidas para fabricar cerâmicas de AlN por meio de sinterização por prensagem a quente. Os resultados indicam que as fases da cerâmica de AlN prensada a quente incluem a fase primária de AlN, a fase de contorno de grão Al5Y3O12 e a nova fase de ZrN. Com a adição de ZrO2, a dureza Vickers da cerâmica de AlN prensada a quente permanece praticamente inalterada, enquanto sua tenacidade à fratura melhora gradualmente.
VI. O impacto da dopagem com zircônia na estrutura e nas propriedades dielétricas da cerâmica BaTiO3
A cerâmica eletrônica, como um tipo de cerâmica funcional eletromagnética, tem recebido atenção significativa nos últimos anos. Entre elas, as cerâmicas de titanato de bário são amplamente utilizadas em diversos sensores e capacitores de chip devido à sua alta constante dielétrica e excelentes propriedades ferroelétricas. No entanto, a temperatura Curie do titanato de bário puro é de 120°C, limitando a sua aplicabilidade à temperatura ambiente. Para melhorar as propriedades dielétricas de materiais cerâmicos à base de titanato de bário, os pesquisadores exploraram a dopagem de vários óxidos, resultando em uma compreensão parcial da relação entre os óxidos dopantes e as propriedades do material.
Usando BaCO3, TiO2 e ZrO2 como matérias-primas, os pesquisadores prepararam cerâmicas de titanato de zirconato de bário (BZT) com diferentes teores de Zr por meio de sinterização em fase sólida. Foi observado que com o aumento da dopagem com ZrO2, o crescimento dos grãos da cerâmica BZT torna-se mais regular, com partículas bem dispostas, contornos claros e alta densidade superficial. Com um nível de dopagem Zr4+ de 20% em ambientes à temperatura ambiente, a cerâmica BZT exibe a maior constante dielétrica e a menor perda dielétrica.
Conclusão
Além das cerâmicas mencionadas, numerosos pesquisadores também investigaram a influência da zircônia em outros sistemas cerâmicos. Por exemplo, estudos revelaram que o ZrO2 existe principalmente como uma segunda fase nos limites dos grãos, inibindo o crescimento dos grãos sem reagir com os grãos de ZnO. Além disso, descobriu-se que o ZrO2 promove efetivamente a sinterização de cerâmica dielétrica de micro-ondas BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3 em baixas temperaturas.
