Sendo um dos membros mais antigos da família das cerâmicas avançadas, a cerâmica de Al₂O₃ (cerâmica de alumina) possui uma gama de propriedades excepcionais inigualáveis a outros materiais cerâmicos. Estas incluem baixo custo, alta resistência e dureza, excelente resistência ao calor, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. As cerâmicas de alumina são amplamente utilizadas nas áreas de defesa nacional, aeroespacial e biomédica.
No entanto, como acontece com muitas cerâmicas monofásicas, o arranjo atômico na estrutura cristalina do Al₂O₃ impede que ele sofra deformação plástica como os metais. Como resultado, durante a fratura, além de criar novas superfícies de trinca para aumentar a energia superficial, há pouca dissipação de energia. Isso leva a um ponto fraco crítico das cerâmicas de alumina: a fragilidade.
Embora a natureza frágil da cerâmica de alumina seja fundamentalmente difícil de alterar, existem métodos para melhorá-la. Após anos de desenvolvimento, diversas abordagens surgiram para aumentar sua tenacidade, principalmente pela introdução de fases de tenacificação na matriz cerâmica.
1 Resistência de Partículas
A têmpera de partículas é uma das maneiras mais simples de aumentar a tenacidade da cerâmica. Para Al₂O₃
cerâmicas, partículas de tenacidade são normalmente partículas metálicas dúcteis ou partículas não metálicas com alto módulo de elasticidade.
Como fases de tenacificação, as partículas metálicas aumentam a tenacidade principalmente por meio de mecanismos como a retirada de partículas e a deformação plástica, que causam deflexão de trincas na matriz de Al₂O₃. Além disso, as partículas metálicas podem inibir o crescimento de grãos de Al₂O₃ durante a sinterização, melhorando suas propriedades de sinterização. Partículas metálicas comuns incluem Al, Ni, Ti, Cu e Fe.
No entanto, como as partículas metálicas geralmente apresentam um módulo de elasticidade menor que o do Al₂O₃, os compósitos resultantes tendem a apresentar dureza e resistência reduzidas. Por outro lado, partículas não metálicas com alto módulo de elasticidade — como SiC, Si₃N₄ e TiC — também podem melhorar a tenacidade por meio de mecanismos como arrancamento de partículas, fixação de trincas, deflexão de trincas e formação de pontes de trincas.
2 Transformação de Endurecimento
O ZrO₂ (zircônia) puro sofre uma transformação de fase no estado sólido próximo a 1000 °C: da fase tetragonal (t) para a monoclínica (m). Essa transformação martensítica causa uma expansão de volume de aproximadamente 3%–5%.
Quando as rachaduras atingem uma região t-ZrO₂, o campo de tensão da ponta da rachadura induz uma zona de transformação.
Dentro desta zona, o t-ZrO₂ se transforma em m-ZrO₂, absorvendo energia tanto da criação de superfície quanto da expansão de volume. A transformação de fase produz tensão compressiva na ponta da trinca, o que ajuda a bloquear a propagação da trinca.
Isso reduz o fator de intensidade de tensão da ponta da trinca, melhorando efetivamente a resistência do material ao crescimento de trincas. Em outras palavras, a transformação dissipa energia externa, aumentando a tenacidade à fratura.
A combinação desse mecanismo com microfissuras e tenacificação por tensão residual em uma matriz de Al₂O₃ forma a cerâmica ZTA. A cerâmica ZTA (alumina temperada com zircônia) apresenta tenacidade significativamente melhorada em comparação com a cerâmica Al₂O₃ pura.
3 Endurecimento de fibras e bigodes
Fibras ou whiskers podem ser introduzidos na matriz cerâmica de forma controlada. Essas fibras desempenham duas funções:
Eles ajudam a compartilhar a carga externa, potencializando a alta resistência das fibras ou fibras. Formam uma interface fracamente ligada à matriz cerâmica, criando um sistema que absorve a energia externa e atenua a fragilidade.
Desde sua descoberta, nanotubos de carbono e grafeno têm sido temas de pesquisa de ponta em ciência dos materiais. Estudos recentes incorporaram esses nanomateriais em cerâmicas de alumina e constataram que eles contribuem significativamente para a tenacidade da matriz cerâmica.
4 Têmpera Híbrida
À medida que a pesquisa sobre têmpera de cerâmica de alumina progrediu, uma abordagem de têmpera multimecanismo — têmpera híbrida — foi desenvolvida para combinar as vantagens de diferentes métodos individuais e compensar suas deficiências.
Essa estratégia sinérgica envolve o uso simultâneo de dois ou mais mecanismos de têmpera para aumentar ainda mais a tenacidade geral. Ela tem atraído ampla atenção de pesquisadores. Combinações comuns de têmpera híbrida incluem:
• Endurecimento de partículas/bigodes
• Endurecimento de partículas/transformações
• Transformação/endurecimento dos bigodes
• Grafeno (ou nanotubos de carbono)/partículas (ou transformação, bigodes)
Por exemplo, a combinação da têmpera por transformação de ZrO₂ com reforço de fibras em cerâmicas de Al₂O₃ demonstrou produzir um efeito de têmpera significativamente aprimorado.
5 Reforço nanotecnológico
Em 1987, o pesquisador alemão Karch e colegas relataram pela primeira vez que as nanocerâmicas exibiam alta tenacidade e superplasticidade em baixas temperaturas. Suas descobertas revelaram o potencial excepcional das nanocerâmicas e ofereceram um novo caminho para superar o antigo problema da fragilidade da cerâmica.
Em 1990, o renomado cientista John Cahn declarou: “As nanocerâmicas são uma solução estratégica para a fragilidade da cerâmica”.
Por um lado, as nanocerâmicas apresentam grãos refinados e um número significativamente maior de contornos de grãos. Além disso, uma vez que os tamanhos dos poros e defeitos são reduzidos abaixo de um limite crítico, eles não comprometem mais a resistência macroscópica do material. Como resultado, tanto a resistência quanto a tenacidade podem ser significativamente melhoradas.
Por outro lado, a incorporação de fases dispersas em nanoescala na matriz cerâmica não apenas aumenta a resistência e a tenacidade, mas também melhora a resistência a altas temperaturas, a dureza, o módulo de elasticidade e a resistência à fluência em altas temperaturas.
Portanto, abordagens de nanoestruturação e nanocompósitos se tornaram algumas das estratégias mais importantes e promissoras para melhorar a tenacidade à fratura de cerâmicas de alumina.
6 Autoendurecível
Cerâmicas de Al₂O₃ autoendurecíveis são desenvolvidas pela adição de aditivos ou cristais-semente para induzir o crescimento anisotrópico de grãos de Al₂O₃ equiaxiais em morfologias em forma de placa, haste ou coluna alongada. Os mecanismos de tenacificação envolvidos são semelhantes aos do reforço de whiskers e incluem formação de pontes de trincas, deflexão de trincas e arrancamento de grãos — sendo a formação de pontes de trincas o mecanismo dominante.
Essa abordagem tem sido amplamente estudada e se mostra muito promissora no aumento da tenacidade da cerâmica de alumina, aproveitando a evolução microestrutural do próprio material.
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