Novo Nanocompósito ZrO2/Al2O3 Fabricado a partir de Nanopartículas Híbridas Preparadas por CO2 Laser Co

Jul 06, 2023

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 20589 (2016) Citar este artigo

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A zircônia endurecida por alumina (ATZ) e a alumina endurecida por zircônia (ZTA) são atualmente os materiais de escolha para atender à necessidade de cerâmicas resistentes, fortes e bioinertes para dispositivos médicos. No entanto, as propriedades mecânicas da cerâmica de dispersão de ZrO2/Al2O3 podem ser consideravelmente aumentadas reduzindo os tamanhos de grão correspondentes e melhorando a homogeneidade da dispersão de fases. Aqui, preparamos nanopartículas com uma distribuição de fase intraparticular de Zr(1−x)AlxO(2−x/2) e (γ-, δ-)Al2O3 pela condensação simultânea da fase gasosa de pós brutos de zircônia e alumina covaporizados a laser . Durante a subsequente sinterização por faísca de plasma, as estruturas defeituosas da zircônia e as fases de alumina de transição se transformam em uma dispersão distribuída homogeneamente de ZrO2 tetragonal (52,4 vol%) e α-Al2O3 (47,6 vol%). As cerâmicas sinterizadas por sinterização por faísca de plasma são completamente densas com tamanhos de grão médios na faixa de cerca de 250 nm. Excelentes propriedades mecânicas (resistência à flexão σf = 1500 MPa, tenacidade à fratura KIc = 6,8 MPa m1/2) juntamente com uma alta resistência contra degradação em baixa temperatura tornam esses materiais candidatos promissores para a próxima geração de biocerâmicas em próteses totais de quadril e implantes dentários.

Compósitos da cerâmica de óxido α-alumina (α-Al2O3) e zircônia tetragonal (t-ZrO2) são utilizados em inúmeras aplicações técnicas e biomédicas devido à sua combinação de excelente resistência à corrosão, alta resistividade elétrica, boa biocompatibilidade, baixo atrito, alto desgaste resistência e alta resistência1. Em particular para aplicações biomédicas como implantes dentários e próteses articulares totais, sua combinação é um material de escolha se forem necessários biomateriais altamente confiáveis ​​com excelentes propriedades mecânicas2.

Uma dispersão de ambos os materiais na chamada zircônia temperada com alumina (ATZ) e alumina temperada com zircônia (ZTA) visa combinar a alta resistência e tenacidade do t-ZrO2 com as excelentes propriedades tribológicas e resistência ao envelhecimento do α-Al2O31,2. Além disso, pequenas quantidades de alumina são conhecidas por estabilizar a fase tetragonal da matriz ZrO23 e inibir o crescimento de grãos por pinagem Zener4. No entanto, as propriedades mecânicas das cerâmicas de dispersão de ZrO2/Al2O3 descritas na literatura diferem muito porque dependem em grande parte da proporção e homogeneidade da distribuição de fases, do tamanho e porosidade do grão e do processamento, bem como da sinterização. condições1,2,5,6,7,8. Exemplarmente, a resistência à flexão σf e a tenacidade à fratura KIc de cerâmicas de dispersão de ZrO2/Al2O3 de última geração descritas na literatura atingem até 1288 MPa e 6,2 MPa m1/2 para cerâmicas ZTA7 consistindo de 76% em massa de Al2O3 (tamanho médio de grão d50 = 730 nm) e 24% em massa de ZrO2 (d50 = 330 nm), respectivamente, e 1166 MPa e 7,4 MPa m1/2 para cerâmica ATZ2 consistindo de 80% em massa de ZrO2 e 20% em massa de Al2O3 com valores de d50 em torno de 400 nm para ambos os componentes. Sabe-se que as propriedades mecânicas dos compósitos ZrO2/Al2O3 podem ser consideravelmente aumentadas pela redução dos tamanhos de grão correspondentes e pela melhoria da homogeneidade da dispersão de fases9. Além disso, esses fatores são críticos em condições hidrotermais. Em cerâmicas ZTA, a transformação espontânea de grãos de ZrO2 tetragonais em monoclínicos em um ambiente úmido e na faixa de temperatura de 20 °C a 300 °C, ou seja, degradação em baixa temperatura (LTD), ocorre mais facilmente se o tamanho do grão estiver abaixo de um valor crítico. 500 nm)10. Além disso, sua estreita distribuição de tamanho, bem como sua concentração e isolamento, ou seja, a ausência de agregados, são importantes para a inibição da difusão intergranular de água que levaria a uma transformação prematura10. Para ATZ a dispersão e distribuição de tamanho dos grãos de Al2O3 são ainda mais críticas para o comportamento LTD por causa da grande proporção de t-ZrO211. Para isso, nanopartículas de ZrO2/Al2O3 com uma dispersão de fase intraparticular em vez de apenas misturar diferentes porções de matérias-primas podem ser desejáveis.