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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO JOO DEL REI - UFSJ CORDENADORIA DO CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

Larcio Jesus de Faria Filho Leonardo Augusto de OliveiraMateus Queiroz BrighentiRafael Garcia RosaVenefredo Ferreira de Assis NetoWagner Luiz Martins Moreira

CARACTERIZAO, PROCESSAMENTO E APLICAO DA ZIRCNIA

So Joo Del Rei, maio de 2014

INTRODUO1DESENVOLVIMENTO1CARACTERSTICAS1ORIGEM1PROCESSOS2PROCESSAMENTO DA ZIRCNIA5 SNTESE DO P DE ZIRCNIA5 ADITIVOS DE TRIA E MAGNSIA6 DESAGLOMERAO DO P 7 LIGANTES E PLASTIFICANTES 7 METODOS DE CONFORMAO DO MATERIAL 7 METODOS DE SINTERIZAO 8APLICAES8APLICAO DA ZIRCNIA NA ODONTOLOGIA8DIAMANTE ARTIFICIAL10MERCADO11CONCINCIA AMBIENTAL12CONCLUSES 13REFERNCIAS14

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1. INTRODUOA zircnia uma cermica que vem se destacando no s na Engenharia como tambm na Medicina e na Odontologia, por apresentar elevadas propriedades mecnicas, alta estabilidade qumica, biocompatibilidade e adequada aparncia esttica.Este material usado rotineiramente em Engenharia para a confeco de ferramentas de corte, refratrios, abrasivos, opacificadores e outros materiais estruturais, sendo mais recentemente utilizadas na confeco de sensores de oxignio, clulas de combusto e recobrimentos trmicos. Enquanto na Medicina o seu emprego maior na confeco de prteses ortopdicas. possvel que formas de zircnio sejam conhecidas desde os templos bblicos, mas somente em 1789 o qumico alemo M. H. Klaproth isolou o xido do elemento zircnio de um mineral proveniente do Ceilo (atualmente Sri Lanka), conhecido como zirco ou zirconita (ZrSiO4).

2. DESENVOLVIMENTO2.1. CARACTERSTICASNa Engenharia, a zircnia um material selecionado tanto para estruturas, como para recobrimentos trmicos. Devido s seguintes caractersticas: Elevadas propriedades mecnicas; Baixa condutividade trmica; Elevada resistncia corroso; Estabilidade em altas temperaturas; Coeficiente de expanso trmica semelhante das ligas de ao.2.2. ORIGEMZircnia a denominao qumica do xido de zircnio. Esse xido ocorre na natureza na forma de um mineral raro, chamado baddeleyta, que cristaliza no sistema monoclnico. Existe, porm, a zircnia artificial, que tem a mesma composio qumica, mas cristaliza no sistema cbico, sendo, por isso, chamada de zircnia cbica. Tanto a baddeleyta quanto a zircnia cbica so usadas como gema, sendo a zircnia cbica muito mais conhecida por ser a mais perfeita imitao de diamante j obtida. Ela serve, alm disso, para imitar outras gemas como a ametista, apenas variando a cor.Portanto, h dois tipos de zircnia, a natural, monoclnica, chamada de baddeleyta, e a artificial, cbica, chamada de zircnia cbica. Por existirem essas duas estruturas cristalinas para uma mesma substncia, a ABNT recomenda que se use sempre a denominao zircnia cbica, e no apenas zircnia, quando se estiver falando da imitao de diamante. O minrio zirconita d origem zircnia. Esse mineral comercialmente processado por mtodo qumico, atravs de fuso alcalina ou de clorao. Os graus de pureza qumica variam de 95 % a 99,6 % na fuso alcalina e de 98,5 % a 99,9 % na clorao. Decomposio qumica por clorao mais interessante, pois o grau de pureza qumica da zircnia resultante alto e seu custo menor. Porm o uso desta forma de processamento atualmente pouco utilizado, pois polui o meio ambiente e o processo corrosivo.A obteno do p de zircnia tambm pode ser feita pelo processamento por plasmas, onde um controle adequado dos parmetros do processo durante as vrias etapas de processamento pode resultar em um p com partculas muito pequenas e com tamanho e forma regulares.

2.3. PROCESSOSA zircnia exibe trs formas polimrficas bem definidas, tais como a monoclnica, a tetragonal e a cbica; existindo tambm, sob alta presso, a forma ortorrmbica. A forma monoclnica estvel at 1170 C, quando se transforma em tetragonal que estvel at 2370 C, quando se transforma em cbica que existe at a temperatura de fuso de 2680 C.

Fonte: http://www.keramverband.de/pic/bild12.gif

Zircnia Totalmente Estabilizada Uma zircnia totalmente estabilizada na forma cbica obtida atravs da adio de quantidades suficientes de xidos estabilizadores, tais como magnsia (MgO), tria (Y2O3), cria (CeO2), calcia (CaO), entre outros. Zircnia Parcialmente Estabilizada (PSZ)A adio de xidos estabilizadores em quantidade inferior necessria para a estabilizao completa da fase cbica produz uma zircnia parcialmente estabilizada, havendo, portanto, finas partculas de zircnia tetragonais metaestveis dispersas em uma matriz de zircnia cbica. Zircnia Tetragonal Policristalina (TZP)Uma zircnia tetragonal policristalina constituda essencialmente pela fase tetragonal com uma concentrao baixa de aditivos estabilizadores. Este material possui uma microestrutura homognea com pequenos gros (0,1-1m). A temperatura de sinterizao exerce uma grande influncia no tamanho de gros formados neste tipo de material, sendo assim quando sinterizados em temperaturas mais baixas, gros menores podero ser obtidos.

Zircnia dispersa na Matriz CermicaA matriz mais utilizada com precipitados de zircnia a de alumina. CHEVALIER, (2006) incentiva o uso da zircnia em matriz de alumina como sendo uma melhor alternativa em relao zircnia com aditivos. Transformao MartensticaA transformao da forma tetragonal para monoclnica ocorre com o resfriamento do material e de grande importncia, pois esta transformao est associada a uma expanso volumtrica de 3 - 5 %, suficiente para exceder a resistncia do material e resultar na fratura do mesmo. Em conseqncia, a fabricao de componentes de zircnia pura no possvel pela falha espontnea aps o resfriamento. No entanto, a adio de xidos estabilizadores permite manter a forma tetragonal na temperatura ambiente. A transformao da zircnia tetragonal em monoclnica um fenmeno influenciado pela temperatura, vapor, tamanho de gro, micro e macro trincas no material, e tambm pela concentrao do xido estabilizador. Aumento da tenacidade por transformao de fase A tcnica de aumento da tenacidade da zircnia se caracteriza pela transformao de fase para obstruir a propagao de trincas, aumentando assim a tenacidade do material. A estabilizao parcial da zircnia atravs de xidos como a clcia (CaO), magnsia (MgO), tria (Y2O3) e cria (CeO2) permite mant-la na fase tetragonal metaestvel em condies ambientes. E, sendo assim, o campo de tenses em frente a uma trinca que se propaga faz com que essas partculas tetragonais mantidas meta-estavelmente sofram transformao para a fase monoclnica estvel. Acompanhando esta transformao, h um ligeiro aumento no volume da partcula e o resultado que so estabelecidas tenses compressivas sobre as superfcies da trinca nas regies prximas sua extremidade, as quais tendem a estrangular e a fechar a trinca, obstruindo, dessa forma, o seu crescimento.

Fonte: CALLISTER, 20022.3.1. PROCESSAMENTO DA ZIRCNIA2.3.1.1. SNTESE DO P DE ZIRCNIAA escolha do mtodo de sntese do p de zircnia de fundamental importncia, j que, dependendo do mtodo e dos tratamentos trmicos utilizados, a morfologia do p afetada.As caractersticas de morfologia, homogeneidade e tamanho das partculas so muito importantes para as propriedades mecnicas da cermica. O p de zircnia pode ser obtido por Pirlise de Alcxidos, Mtodo da Copreciptao, Mtodo Sol-Gel, Mtodo da Combusto, Mtodo Qumico por Plasma, Mtodo Hidrotrmico, Mtodo da Precipitao por micro emulso e outros.A tcnica mais usada, porm, o Mtodo da Coprecipitao de sais. Este um mtodo para produo em massa que quando comparado com os outros mtodos, de baixo custo. Ele gera partculas com uma distribuio de tamanho no to homogneo. Existem vrios mtodos de sntese sendo estudados, pois h fatores adversos nos mtodos atuais que no so ideais, tais como, a necessidade de tratamento trmico em alta temperatura, pouca disperso, distribuio de gros no-uniformes, baixa rea de superfcie. Para aplicaes que requerem timas propriedades eltricas e mecnicas, o p precursor de zircnia deve conter xidos estabilizantes como a magnsia (MgO), tria (Y2O3) e a cria (CeO2) uniformemente distribudo em escala atmica.TADOKORO & MUCCILO, em 2002 concluram que a otimizao dos mtodos de sntese e de processamento possui um papel decisivo nas propriedades qumicas e fsicas da zircnia com tria. Estes autores estudaram o mtodo da Copreciptao com a adio de outros procedimentos como a disperso ultra-snica, o uso do moinho atritor e a recristalizao hidrotrmica, visando um maior controle da aglomerao do material.

2.3.1.2. ADITIVOS DE TRIA E MAGNSIAO xido de tria mais comumente utilizado para a estabilizao da zircnia em materiais odontolgicos do que a magnsia. Apesar disso, na Engenharia, a magnsia largamente utilizada, sendo considerada uma tima alternativa no que se refere transformao de fases, para aplicaes estruturais.A tria possui como vantagens sua extensa solubilidade na zircnia tetragonal e o poder de proporcionar, assim como a magnsia, uma reduo na temperatura de sinterizao, possibilitando a formao de gros menores e mais finos, o que gera uma cermica mais resistente. Uma sinterizao em temperaturas mais altas pode gerar a fase cbica da zircnia que possui gros maiores que os de zircnia tetragonal e monoclnica, causando certa porosidade no material. O xido de tria utilizado para a estabilizao parcial da zircnia deve estar na faixa de 3 a 6%, enquanto o xido de magnsia est na faixa de 8 a 10% para que uma zircnia tetragonal possa ser obtida segundo o diagrama de fases da zircnia. Em baixas concentraes de tria, uma distribuio homognea crtica para um comportamento mecnico satisfatrio.O tamanho de gro da zircnia com tria aumenta com o decrscimo na quantidade de tria adicionada. No entanto, MATSUI em 2008, concluiu que o aumento do tamanho de gro para a zircnia com tria em concentraes crescentes (2%, 3% e 8%mol) foi praticamente o mesmo at a temperatura de 1200C, e que a partir desta temperatura uma concentrao maior de tria (8%mol) gerou um tamanho de gro maior. A magnsia (Mg0) tem sido largamente utilizada como aditivo de sinterizao para a alumina. A adio de apenas uma pequena poro de magnsia melhora a molhabilidade da alumina e diminui a mobilidade do contorno de gro, o que aumenta a densificao.

2.3.1.3. DESAGLOMERAO DO PO preparo de um p de zircnia fino e livre de aglomerados talvez seja o passo mais importante para se obter uma zircnia sinterizada com uma microestrutura desejvel e, portanto, com propriedades mecnicas desejveis.

2.3.1.4. LIGANTES E PLASTIFICANTESA funo dos agentes ligantes e plastificantes o de fornecer resistncia mecnica ao corpo verde para que ele possa ser manuseado antes da sua sinterizao. Esses elementos tambm reduzem o atrito entre as partculas, evitando o surgimento de defeitos, tais como trincas e delaminaes, alm de contribuir para uma distribuio mais homognea na densidade do corpo verde. A quantidade de ligante orgnico indicado varia entre 0.5 a 5% em peso, visando uma prensagem uniaxial adequada do material.

2.3.1.5. METODOS DE CONFORMAO DO MATERIALOs mtodos de conformao mais utilizados para a conformao da zircnia so as prensagens uniaxial, isosttica e extruso. Uma melhor conformao verde obtida com a utilizao de partculas desaglomeradas de gros ultrafinos e com uma distribuio homognea de poros. Visando-se a uma melhor densificao verde, alguns parmetros podem ser otimizados, como a reduo no tamanho de partcula inicial, a modificao na distribuio do tamanho de partcula e a adio de aditivos de sinterizao.A aplicao de prensagem isosttica a frio em compactados de ps finos importante, pois estes implicam em baixas densidades verde e alta retrao. Este tipo de prensagem pode gerar um compactado verde mais denso e com tamanho reduzido de gro, melhorando assim as propriedades mecnicas dos compactados sinterizados.

2.3.1.6. METODOS DE SINTERIZAOUma sinterizao convencional usualmente realizada para cermicas de xidos utilizando-se fornos em altas temperaturas e, dependendo da necessidade, em atmosfera controlada. Uma prensagem quente (Hot-pressed) baseia-se na prensagem uniaxial e sinterizao simultneas do material e visa principalmente uma reduo na temperatura final de sinterizao. Enquanto, a prensagem isosttica quente tambm visa uma reduo na temperatura de sinterizao e gera um material com uma densificao mais homognea.

2.4. APLICAES2.4.1. APLICAO DA ZIRCNIA NA ODONTOLOGIAAo longo dos anos a sociedade vem cada vez mais se importando com a aparncia. Os dentes so fatores principais nesse processo. Por isso, a odontologia esttica insere, a cada dia, novos e mais eficientes produtos no mercado, para a realizao do sonho de um sorriso perfeito.Uma das novidades do ramo a utilizao da zircnia, conhecida como "diamante artificial", para a fabricao de bases para prteses dentrias. O material est substituindo o metal, proporcionando melhores resultados com relao funo dos dentes, comodidade e, principalmente, esttica.A zircnia, diferente do metal, de cor clara e tem a capacidade de absorver luz, proporcionando dentes claros, sem manchas e com efeito natural.O material serve de base para prteses de porcelana, utilizadas em casos em que o paciente necessita de alguma reabilitao esttica dental.O processo: O sistema para produo de cermicas odontolgicas de zircnia mais utilizado no mundo o Procera (produzido, por exemplo, pela Nobel Biocare, empresa que fabrica os implantes dentrios e CAD / CAM baseado em prteses individualizadas e est sediada em Kloten, Sua). Por ele, aps a confeco do modelo do dente ou dentes do paciente, escaneado em trs dimenses e enviado pela Internet para pases como a Sucia e os Estados Unidos, que produzem a base de zircnia, sobre a qual aplicada depois a porcelana.Aps receber as bases de zircnia, os laboratrios fazem o acabamento em cermica. Nos consultrios, os dentistas fazem provas do produto e ele colocado no paciente. "As prteses so cimentadas por meio de adesivos especiais de alta resistncia", explica o dentista Jos Tarcsio.O tratamento pode ser feito em qualquer pessoa, inclusive sobre implantes dentrios. "s vezes, algumas modelos precisam tratar de imperfeies dentrias com certa urgncia para que estas no lhes atrapalhem a carreira. Ento, o sistema pode ser utilizado at em garotas de 15 anos, dependendo danecessidade", ressalta.Apesar de as prteses serem resistentes, o especialista alerta que, aps passar pelo tratamento, o paciente deve tomar cuidados quanto mastigao, evitando mordidas bruscas. "Ao invs de morder o sanduche, prefervel que o parta com garfo e faca", exemplifica.

Fonte: http://cos.odo.br/

Fonte:http://www.excelenciaesteticaodontologia.com/zirconia

2.4.2. DIAMANTE ARTIFICIALUma grande aplicao da Zircnia Cubica (ZC) no mercado de semi jias, o seu sucesso em tal mercado se d pela sua aparncia com um diamante verdadeiro. Com semelhana em dureza e brilho. Alm disso, e ZC permite lapidao em vrios formatos e estilos. Podendo ser aplicada com facilidade em anis, colares, brincos, entre outros.A ZC pode ser produzida em tons diferentes. Alm da incolor, usa-se freqentemente os vermelhos e os tons de cinza. Para os olhos de uma pessoa leiga, fica quase impossvel distingui-la de outras preciosidades, como ametista e granada.

Uma curiosidade interessante sobre as semi jias est na misticidade das lendas sobre a Zircnia.Muito antes de ser fabricada, a zircnia j era conhecida pelos povos mais antigos. Acreditava-se que ao ser usada comotalism, traria umsono calmoe um novoesprito de vida. Lev-la junto de si traziaamor eadmirao de todos os povos. A rvore de Kalpa, figura simblica dos deuses hindus, foi descrita pelos poetas como tendo folhas de zircnia.As lendas a respeito da zircnia so encantadoras e dizem que a zircnia era umanjo-guardioque fora enviado a Terra no tempo em que Ado e Eva estavam no Jardim do den. Conta-se ainda, que a pedra trazia boa sade, sabedoria, honra e prosperidade. Acreditava-se tambm que aliviava a dor, aumentava o apetite e que foi a pedra-talism dos comerciantes durante as viagens, pois osprotegiados bandidos da noite. E que dava muita sorte: a presena da zircnia nos bolsos trazia grandes fortunas.

Fonte: Ambika a company with many solutions.

3. MERCADOAtualmente, cerca de 80% da produo mundial de zircnia usada para aplicaes convencionais como: materiais estruturais, refratrios, pigmentos, opacificantes, vitrificadores (glazers), abrasivos.

4. CONCINCIA AMBIENTALProjeto para reaproveitar o p resultante da usinagem de blocos de zircnia a fim de fazer prteses dentrias:Durante a usinagem dos blocos de zircnia em laboratrio, grande parte do material desprendida na forma de p, que descartado. O desperdcio de material resulta em prejuzo financeiro, que se reflete no elevado custo final do tratamento para os pacientes, alm de prejuzo para o meio ambiente, graas aos processos envolvidos na fabricao e descarte da cermica.O objetivo deste projeto, pioneiro na reciclagem do p de xido de zircnia, foi estabelecer um protocolo de reaproveitamento de resduos descartados para a obteno de um novo bloco de zircnia compactado que mantenha as mesmas propriedades mecnicas e micro-estruturais do material comercial importado de alto custo.O p obtido durante a usinagem dos blocos de zircnia re-compactado em uma matriz retangular e submetido a diversas combinaes de presso de compactao e temperatura de pr-sinterizao, Em seguida, as amostras so caracterizadas micro - estruturalmente atravs de testes de Densidade/Porosidade, Resistncia a fratura (TRF), Difratometria de Raios X (DRX), Fluorescncia de Raios X, Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV), Microdureza, Tenacidade, Granulometria e Dilatometria com o objetivo de compar-las ao material comercial.

5. CONCLUSO

Por causa das suas mltiplas caractersticas, tais como elevadas propriedades mecnicas, resistncia a corroso e estabilidade em altas temperaturas, a zircnia vem sendo estudada profundamente nos ltimos anos. Nos vrios ramos da engenharia a zircnia esta tendo aplicaes que nunca foram dantes pensadas. Os estudos feitos descobriram que a zircnia juntamente com outros elementos estabilizantes esto tomando papis cruciais como, por exemplo, em meio estrutural. Neste ramo, a magnsia tem sido usada como uma tima alternativa para a transformao de fazes da zircnia.Na rea da biomedicina a zircnia tem se juntado com o estabilizante chamado xido de tria. Este possui vantagens que o tornam solvel na zircnia tetragonal e proporciona uma reduo da temperatura de sinterizao. Causando a formao de gros menores e finos que proporciona uma zircnia mais resistente.

REFERNCIASAKAGAWA, Y., HOSOKAWA, R., SATO, Y., et al., 1998, Comparison between freestanding and tooth-connected partially stabilized Zircnia implants after two years function in monkeys: a clinical and histologic study; The Journal of Prosthetic Dentistry, v. 80, pp. 551-558.ANUSAVICE, K.J., 1998, Materiais Dentrios, trad. Edson Jorge Lima Moreira, 10a edio, Rio de Janeiro, Editora Guanabara Koogan.ASTM: C1259-98 Standard Test Method for Dynamic Youngs Modulus, Shear Modulus, and Poissons ratio for advanced ceramics by impulsive excitation of vibration, 1998, Annual Book of Standards.< http://blog.lepetitpapillon.com.br/2014/03/12/quase-um-diamante-a-historia-por-tras-da-zirconia/> Acesso em 10 de julho de 2014.< http://www.nanum.com.br/interna.php?area=produto&idIdioma=1&escolha=22> Acesso em 10 de julho de 2014.< http://mtc-m17.sid.inpe.br/col/sid.inpe.br/mtc-m17@80/2007/12.07.12.32/doc/publicacao.pdf> Acesso em 10 de julho de 2014.