Laboratorio Odontotecnico Oral2k

 

Il diossido di zirconio è uno dei materiali ceramici più studiati. ZrO₂ puro ha una struttura cristallina monoclina a temperatura ambiente e a temperature elevate presenta transizioni a tetragonale e cubico. L'espansione di volume causata dalla transizione da cubico a tetragonale a monoclina induce sforzi molto grandi e quindi lo ZrO₂ a fessurarsi durante raffreddamenti bruschi.

Vari ossidi si aggiungono alla zirconia per stabilizzare le fasi tetragonali e/o cubiche: ossido di magnesio (MgO), ossido dell'ittrio (Y₂O₃), ossido di calcio (CaO) e ossido di cerio (Ce₂O₃). In alcuni casi, la fase tetragonale può essere metastabile. Se le quantità della fase tetragonale metastabile è sufficiente, applicando uno sforzo si ha una concentrazione di sforzo all’apice della cricca che  può indurre la transizione da fase tetragonale a monoclina, con l'espansione di volume collegata. Questa trasformazione di fase mette la cricca in compressione, ritardando la relativa propagazione ed aumentando la resistenza a frattura. Questo meccanismo estende l'affidabilità ed il corso della vita dei prodotti fatti con la zirconia stabilizzata. Un caso speciale della zirconia è quello della zirconia policristallina o di TZP tetragonale.

La fase cubica di zirconia inoltre ha una conducibilità termica molto bassa, che ha condotto al relativo uso come rivestimento di barriera termica o a TBC in turbina e motori diesel per permettere il funzionamento a più alte temperature. Termodinamicamente una più alta temperatura di funzionamento di un motore determina una maggior efficienza.

È utilizzata come materiale refrattario, nell'isolamento, in abrasivi, in smalti ed in glasse di ceramica. La zirconia stabilizzata è utilizzata nelle membrane dei sensori di ossigeno e nelle pile a combustibile perché ha la capacità di permettere che gli ioni dell'ossigeno si muovano liberamente attraverso la struttura del cristallo alle temperature elevate. Questa alta conducibilità ionica (e una conducibilità elettronica bassa) la rende uno degli elettroceramici più utili. Il band-gap dello ZrO₂ dipende dalla fase (cubico, tetragonale, monoclino, o amorfo) e dai metodi della preparazione, tipicamente 5-7 eV.

Questo materiale inoltre è utilizzato nella fabbricazione di subframes per la costruzione di denti quali le parti superiori ed i ponticelli che allora sono impiallacciati con una porcellana convenzionale. Il diossido di zirconio può essere utilizzato come polvere bianca che possiede sia le proprietà silicee che di base.

La zirconia è inoltre un materiale dielettrico ad alto-K importante, che si sta studiando per le applicazioni come isolante in transistori in dispositivi nanoelettronici futuri.

 

La tecnologia CAD/CAM ha reso possibile la realizzazione di restauri in ceramiche ad elevata resistenza come Allumina e Zirconia. In passato, nei settori posteriori, i restauri in ceramica si limitavano a unità singole. Ora, con l’introduzione dell’ossido di zirconio come materiale dentale, i clinici sono in grado di realizzare restauri in ceramica nelle regioni anteriori e posteriori.

Questo è in parte dovuto all’elevata resistenza alla flessione (quasi due volte maggiore rispetto all’allumina) e alla resistenza alla frattura del materiale ceramico zirconia.

Diverse aziende del settore dentale propongono materiali a base di ossido di zirconio. Questi materiali sono chimicamente simili e consistono in policristalli tetragonali di zirconia trattati con ossido di ittrio al 3%. In molti casi, sono anche trattati con una minima concentrazione di allumina (<0,25 %) per prevenire la dispersione dell’ossido di ittrio. Questa combinazione assicura la sicurezza e la longevità dei restauri in Zirconia.

 

Molti altri fattori, al di là della chimica, influenzano il risultato finale, tra cui la sequenza con cui gli ingredienti vengono mescolati, la dimensione e la consistenza della farina e il tempo e la temperatura usati per far lievitare l’impasto.

Nonostante la zirconia sia chimicamente simile, una volta processata può mostrare caratteristiche meccaniche e ottiche

diverse. Lavorando con la Zirconia si possono sperimentare le differenze nella lavorabilità (es. fresatura a umido e a secco) e nella sinterizzazione.

 

In generale, sul mercato sono disponibili la zirconia presinterizzata e la zirconia HIP (pressione isostatica a caldo). La zirconia pre-sinterizzata viene fresata quando il materiale ha ancora una consistenza morbida, come il gesso. Per raggiungere la massima densità, il materiale viene nuovamente sinterizzato dopo la fresatura. Il materiale HIP viene fresato invece nello stato di completa sinterizzazione. La tabella descrive le differenze della Zirconia pre-sinterizzata.

 

La zirconia pre-sinterizzata viene preparata in tre fasi principali. La polvere di zirconia viene pressata e pre-sinterizzata e questo avviene normalmente presso il produttore.

Il centro di fresatura fresa il pezzo grezzo pre-sinterizzato e poi sinterizza la cappetta o la struttura per ottenere la massima densità.

La preparazione dei pezzi grezzi pre-sinterizzati da parte del produttore differisce in funzione dell’origine della polvere di Zirconia e delle condizioni di pressatura e pre-sinterizzazione selezionate.

 

1) Polvere:

Le polveri di zirconia disponibili possono avere dimensioni diverse dei grani, diverse distribuzioni delle dimensioni dei grani e diversi additivi (cioè, il legante per il passo di pressatura).

Gli additivi di ossido di Yttrio e Allumina possono essere distribuiti nel materiale in modi diversi, e cioè in modo omogeneo in tutto il materiale, o con una maggiore concentrazione di grani ai bordi ecc. La dimensione dei grani ha effetto sulla resistenza e sull’indurimento di trasformazione, una caratteristica meccanica fondamentale della Zirconia. Le variazioni nella distribuzione della dimensione dei grani influiscono sulla porosità e quindi sulla traslucenza del materiale. La distribuzione degli additivi può influenzare la stabilità idrotermica del materiale sinterizzato.

 

2) Condizioni di pressatura:

La polvere viene prima pressata, e il processo può essere eseguito con procedure diverse (cioè, isostaticamente o assialmente).

Le condizioni di pressatura vengono regolate al fine di ottenere un pezzo grezzo ottimizzato per la fase di pre-sinterizzazione.

La metodologia di pressatura influenza l’omogeneità e la densità di distribuzione del materiale e quindi l’adattamento marginale. Le condizioni di pressatura possono causare differenze nella resistenza, nella traslucenza e influire sulla temperatura finale di sinterizzazione della Zirconia.

 

3) Pre-sinterizzazione:

La polvere pressata di Zirconia viene quindi pre-sinterizzata in un forno, con un profilo di temperatura ottimizzato, per generare un pezzo grezzo con adeguata resistenza e fresabilità.

 

4) Colorazione:

Alcuni materiali a base di Zirconia possono essere colorati nello stato pre-sinterizzato immergendo cappette e strutture in un liquido colorante. Questo consente l’assorbimento degli agenti coloranti all’interno del materiale. La colorazione può essere ottenuta tramite pigmenti (grani), o agenti non pigmentati (ioni). E’ importante controllare l’effetto del liquido colorante sulle caratteristiche meccaniche dell’ossido di zirconio.