Estudo sobre preparação e propriedades mecânicas de cerâmica roxa

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8755 (2023) Citar este artigo

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Uma correção do autor a este artigo foi publicada em 27 de julho de 2023

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Este artigo tem como objetivo preparar uma cerâmica roxa vestível inteligente que atenda aos requisitos de cor do desgaste inteligente roxo do mercado após usar zirconato de neodímio como agente cromogênico. Porém, o desempenho mecânico da cerâmica roxa de neodímio zirconato não é satisfatório, principalmente por ter uma tenacidade à fratura extremamente baixa. Para resolver isso, uma zircônia estabilizada com ítria a 3% em mol (3YSZ) é adicionada ao zirconato de neodímio na preparação de cerâmica multifásica para melhorar suas propriedades mecânicas. Neste experimento, uma série de amostras cerâmicas com adição de quantidades crescentes de 3YSZ 0, 20, 40, 50, 60, 70 e 80% foram preparadas na faixa de temperatura de sinterização de 1400–1500 °C. Verificou-se que na mesma temperatura as propriedades mecânicas das amostras cerâmicas melhoraram gradativamente com o aumento do teor de 3YSZ. Além disso, com o mesmo conteúdo, as propriedades mecânicas das amostras cerâmicas melhoraram gradativamente com a diminuição da temperatura. Os resultados mostram que quando o 3YSZ tem uma fração de massa de 80% e é sinterizado a 1400 °C, a tenacidade à fratura das amostras cerâmicas preparadas atinge 8,15 MPa‧m1/2, que é quase duas vezes maior que a do zirconato de neodímio monolítico. 2,57 MPa‧m1/2. A dureza Vickers das amostras cerâmicas preparadas atingiu 12,93 GPa, quase 88% superior à do zirconato de neodímio não dopado. Isso indica que as amostras podem ser aplicadas em wearables inteligentes, como o backplane de telefones celulares, com certo significado prático para o endurecimento de engenharia de cerâmicas de zirconato.

A cerâmica colorida é amplamente utilizada em diversas indústrias com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia da informação. Como as cerâmicas coloridas têm cores brilhantes, boa textura metálica e principalmente características de baixa interferência de sinal, elas começaram a ser cada vez mais utilizadas em wearables inteligentes, como backplanes de telefones celulares, anéis de relógio e outros. No entanto, a fragilidade é um dos principais pontos fracos destas cerâmicas, especialmente da cerâmica de zirconato de neodímio; portanto, melhorar as propriedades mecânicas, especialmente a tenacidade à fratura da cerâmica, tornou-se uma prioridade máxima. Matsumura et al.1 prepararam um material cerâmico La2Zr2O7 usando o método da hidenzina e mediram que sua tenacidade à fratura e resistência à flexão atingiram 1,9 MPam1/2 e 172 MPa, respectivamente. Lee et al.2 adicionaram óxido de ítrio ao zirconato de gadolínio para preparar cerâmicas compostas e descobriram que a dureza Vickers aumentou de 6 para 10 GPa. Yu Zhang et al.3 doparam a zircônia estabilizada com óxido de itérbio com zirconato de gadolínio, resultando em uma resistência à fratura significativamente melhorada do material.

A zircônia possui características de endurecimento por mudança de fase; portanto, a mudança de fase martensítica é uma de suas principais características. Por isso, é comumente usado para melhorar a tenacidade à fratura de materiais cerâmicos4. A zircônia tem sido extensivamente estudada e a pesquisa em cerâmica de zircônia continua sendo um ponto importante. As cerâmicas de zircônia são cada vez mais utilizadas nas indústrias aeroespacial, eletrônica, metalúrgica e de comunicações, entre outras indústrias5. O dióxido de ítrio é adicionado à maior parte da zircônia. Em particular, 6–8% em mol de Y2O3 são adicionados à zircônia para obter uma fase cúbica, e 3–6% em mol de ítrio são adicionados à zircônia para obter uma zircônia parcialmente estabilizada. Uma zircônia totalmente estável possui alta condutividade iônica, e uma zircônia parcialmente estabilizada possui excelentes propriedades mecânicas em temperatura ambiente e alta temperatura6.

Muitos metais de transição não possuem apenas um estado de valência no composto, mas também coexistem em vários estados de valência. Fujimori7 chamou esse fenômeno de teoria do estado de valência mista. Isto se deve à existência de defeitos pontuais no cristal, fazendo com que o cristal possua propriedades magnéticas, ópticas e elétricas especiais. Até o momento, existem no mercado cerâmicas de zircônia vermelha, que são preparadas pela adição de trióxido de ferro à zircônia para produzir a cor vermelha8. As cerâmicas roxas são preparadas adicionando óxido de neodímio ou zirconato de neodímio à zircônia9. A cerâmica azul celeste é preparada adicionando óxido de níquel e óxido de alumina à zircônia10. As cerâmicas verdes são preparadas adicionando-se à zircônia uma certa quantidade de óxido de níquel, óxido de alumina, óxido de cromo e óxido de silício11. As cerâmicas coloridas preparadas nesses mercados possuem uma ampla gama de aplicações, principalmente em decorações e wearables inteligentes, como backplanes de celulares, anéis de relógios, entre outros12,13.