La cerámica de Zirconia representa bastante una nueva clase de materiales estructurales avanzados. Su uso potencial en usos estructurales primero fue observado en los mediados de los años setenta. Desde entonces han aparecido numerosas publicaciones dedicadas enteramente a estos materiales.
Sistema Material
La zirconia pura a presiones atmosféricas exhibe tres organismos polimorfos cristalinos bien definidos: las fases monocíclica, tetragonales, y cúbicas. La fase monocíclica es estable hasta 1170 ºC donde se transforma a la fase tetragonal. A 2370 ºC la fase tetragonal se transforma a la fase cúbica que existe hasta 2680 ºC, el punto de fusión de la zirconia.
En el enfriamiento de la transformación de tetragonal a monocíclica, se produce un aumento grande del volumen (3-5%). Este cambio es suficiente para causar grietas. Así, la fabricación de componentes grandes de zirconia pura no es posible. La extensión del volumen de la transformación se puede utilizar como ventaja, sin embargo, por la adición de los óxidos estabilizantes cúbicos, lo más común es magnesia, óxido de calcio, CaO, y óxido de itrio. Estos óxidos pueden estabilizar la forma cúbica relativamente débil por debajo de la temperatura ambiente. Por otra parte, si se agrega una cantidad insuficiente de óxido estabilizante, y el material se procesa correctamente, las partículas de zirconia puede ser conservado en la forma tetragonal metastable a temperatura ambiente. Estos materiales se refieren como cerámica de zirconia parcialmente estabilizada (PSZ).
Durante el uso de la tensión, por ejemplo en la región de una grieta el propagar, las partículas tetragonales metastable se transforman a la fase monocíclica estable. La extensión del volumen resultante se coloca en la región alrededor de estas partículas, adyacentes a la grieta, en compresión, y se retarda la propagación de grieta hasta que se aumenta la tensión aplicada. El trabajo adicional requerido para mover la grieta a través de la matriz puede conducir a aumentos en dureza, y resistencia al choque térmico. Las fases presentes en estas cerámicas, su cantidad, tamaño, y la distribución, se pueden controlar para producir los materiales que tienen un rango de características adaptadas para los usos específicos. La transformación se piensa que ocurre por un proceso sin difusión. Se refiere a menudo como transformación martensítica, teniendo una histéresis térmica entre los ciclos de enfriamiento y calentamiento. La transformación es dependiente del tamaño de partícula; partículas más finas se transforman en a temperatura más baja que partículas más gruesas. El endurecimiento de la transformación puede también resultar por la incorporación de partículas finas del zirconia en otra matriz, tal como Al2O3. Estos materiales se denominan zirconia cerámica endurecida (ZTC). Un tercer tipo de material de cerámica se forma usando una concentración baja del óxido de itrio en zirconia y un tamaño de grano muy fino. Resulta aproximadamente un 100% de zirconia tetragonal policristalina (TZP).