Cerâmica estrutural avançada

Cerâmica estrutural avançada, materiais cerâmicos que demonstram propriedades mecânicas aprimoradas sob condições exigentes. Por servirem como membros estruturais, frequentemente sujeitos a carga mecânica, recebem o nome de cerâmica estrutural. Normalmente, para aplicações estruturais, a cerâmica tende a ser uma substituição cara para outros materiais, como metais, polímeros e compósitos. Para ambientes especialmente erosivos, corrosivos ou de alta temperatura, no entanto, eles podem ser o material escolhido. Isso ocorre porque a forte ligação química na cerâmica - descrita no artigo composição e propriedades cerâmicas: Ligações químicas - as torna excepcionalmente robustas em situações exigentes. Por exemplo, algumas cerâmicas avançadas exibem resistência superior ao desgaste, tornando-as ideais para aplicações tribológicas (desgaste), como equipamentos de processamento mineral.Outros são quimicamente inertes e, portanto, são utilizados como substitutos ósseos no ambiente altamente corrosivo do corpo humano. Altas forças de união também tornam a cerâmica termoquimicamente inerte; essa propriedade mostra áreas promissoras de aplicação em motores para automóveis, veículos aeroespaciais e geradores de energia.

É necessário superar várias barreiras tecnológicas para tornar a cerâmica estrutural avançada uma realidade cotidiana. Os desafios mais significativos são a sensibilidade a falhas inerentes, ou fragilidade, da cerâmica e a variabilidade de suas propriedades mecânicas. Neste artigo, são descritos métodos de endurecimento e avaliadas as perspectivas para cerâmica endurecida. A pesquisa termina com links para artigos sobre várias aplicações estabelecidas e prospectivas para cerâmica estrutural avançada.

Métodos de endurecimento

Cerâmica reforçada

Entre as estratégias para alcançar a cerâmica com propriedades mecânicas aprimoradas, especialmente a tenacidade, algumas envolvem a engenharia de microestruturas que resistem à propagação de trincas ou absorvem energia durante o processo de propagação de trincas. Ambos os objetivos podem ser alcançados simultaneamente em microestruturas com grãos fibrosos ou entrelaçados. Na cerâmica produzida com essas microestruturas, as trincas são desviadas de um caminho reto, levando a um aumento dramático no comprimento da trinca; ao mesmo tempo, as partículas atrás da ponta da fissura avançam sobre a fenda, tendendo a mantê-la fechada. A deflexão e a ponte de trincas também ocorrem em compósitos cerâmicos reforçados com whisker e fibra. O resultado é um aumento da área superficial da fratura e uma absorção de energia muito maior.

Microcracking

Another mechanism that can lead to increased fracture toughness in ceramics is microcracking, which occurs in single-phase polycrystalline ceramics whose grains are anisotropic (that is, whose mechanical properties vary with direction) or in intentionally biphasic polycrystalline microstructures. In these materials tiny microcracks open up to either side of the main crack path ahead of the advancing crack tip. This phenomenon has two effects. First, the energy that goes into the opening of the subsidiary cracks increases the energy needed for propagation of the main crack. Second, as the main crack propagates, microcracks opening up in the wake or process zone adjacent to the main crack but behind the crack front result in an increase in volume, which tends to close the main crack. The resistance to propagation thus increases the farther the crack propagates.

Transformation toughening

The most promising toughening mechanism for ceramic materials involves a phase transformation; the method is referred to as transformation toughening and is illustrated in Figure 1. Although other materials such as alumina can be transformation-toughened, zirconia (zirconium dioxide, ZrO₂) is the prototype material for this process. Pure zirconia, upon cooling below 1,150° C (2,100° F), undergoes a dramatic 3 percent volume expansion as it transforms from a tetragonal form to a monoclinic form. This expansion can be used to advantage by dispersing extremely fine tetragonal particles in a matrix of cubic zirconia or alumina. The small size of the particles (less than 1 micrometre) and their intimate contact with the matrix induce the tetragonal structure to remain stable at room temperature. Ahead of an advancing crack, however, a stress field triggers the transformation of the embedded tetragonal particles to the monoclinic form. Behind the advancing crack, a process zone forms in which all the tetragonal particles have transformed to the monoclinic form. The cumulative increase in volume exerts a closing force on the advancing crack, as well as a corresponding resistance to crack propagation that increases with crack length. Ceramics such as transformation-toughened zirconia (TTZ) are often referred to as ceramic steel because the strain, or change in dimension, in response to stress behaviour resembles that of steel instead of a brittle ceramic. Also, the underlying phase transformation is called martensitic, after a similar transformation in rapidly quenched steel to a phase known as martensite.