Influência da adição de zircônia tetragonal estabilizada com céria na resistência à fadiga por flexão em 4 pontos de compósitos Al2O3 – Ce-TZ

Abstract

Materiais cerâmicos têm como características a estabilidade química, elevada dureza e resistência ao desgaste. Entretanto, devido a fragilidade, podem sofrer falha sob níveis de tensões relativamente baixas. A alumina é um material cerâmico biocompatível, apresenta boa resistência ao desgaste, mas possui tenacidade e resistência à flexão relativamente baixas. A zircônia é também inerte em meio fisiológico, apresenta menor módulo de elasticidade, maior tenacidade e resistência a flexão. O aumento de tenacidade verificado para a zircônia está relacionado com a transformação de fase (t→m) induzida por tensão. Portanto, compósitos à base zircônia estabilizada são promissores para utilização como materiais biocompatíveis, quando combinados. Neste trabalho, foi investigado o efeito da adição de zircônia tetragonal estabilizada com céria (Ce-TZP), sintetizada in situ, sobre o comportamento à fadiga de cerâmicas à base de alumina (Al2O3). Pó de Al2O3 (grupo de controle) e misturas contendo adições de 5% em peso (composição A) e 20% em peso (composição “B”) de uma mistura de pó comercial de ZrO2(monoclínica)/Al2O3/CeO2 (64/25/11% em peso), denominado ZrI, foram compactados uniaxialmente, sinterizados a 1600 °C - 2h e submetidos a envelhecimento em Autoclave. As amostras foram caracterizadas quanto a densidade relativa, microestrutura, fases cristalinas e propriedades mecânicas estáticas. A resistência à fadiga cíclica das composições foi determinada usando o método de escada modificado em testes de flexão de quatro pontos. Os resultados indicam que a adição da mistura ZrO2/Al2O3/CeO2 à matriz de alumina aumenta o número de grãos tetragonais-ZrO2 estabilizados com Ce (Ce-TZP), com teores de Ce-TZP de 2,9% e 11,9% para as composições “A” e “B”, respetivamente. Além disso, a adição de Ce-TZP melhora a densificação (98,5% ® 99,1%) com uma leve redução na dureza e módulo de elasticidade, e um aumento significativo na tenacidade à fratura do material, com valores de aproximadamente 6,7 MPa.m1/2 para o compósito “B” quando comparado com a alumina monolítica (KIC=2,4 MPa.m1/2). O limite de resistência à fadiga do grupo controle (alumina monolítica) ficou em torno de 100MPa. Os compósitos dos grupos “A” e “B” apresentaram os valores de 279MPa e 239MPa, respetivamente. Os resultados indicaram que a incorporação de Ce-TZP melhora significativamente a tenacidade à fratura de cerâmicas à base de alumina. Por outro lado, em relação ao comportamento à fadiga, houve aumento da resistência à fadiga na composição “A”, resultante dos benefícios da transformação tetragonal-monoclínica dos grãos de Ce-TZP, que ocorre durante o carregamento cíclico, produzindo uma zona de blindagem que envolve a ponta da trinca, retardando seu crescimento. O aumento na quantidade de CeTZP observado na composição “B” leva a um aumento considerável nas tensões residuais internas entre as fases presentes devido à anisotropia e diferença nos coeficientes de expansão térmica, o que acelera a transformação de fase e formação de microtrincas nos contornos de grão, reduzindo a resistência à fadiga do compósito “B”.