Muchas cerámicas son tan duras que incluso se pueden fabricar rodamientos con ellas. (Los rodamientos de las máquinas herramientas son bolas que sirven para reducir la fricción entre una pieza y el eje al que está conectada). Un ejemplo muy particular de cerámica dura es el dióxido de circonio o circonia (ZrO2). Es tan dura que incluso se emplea como sustitutivo del diamante.
Este material tiene tres variedades cristalográficas importante: cúbica, tetragonal y monoclínica. Esta es la más estable a temperatura ambiente y hasta 1170 °C (en la naturaleza aparece en el mineral baddeleyita). Entre esta temperatura y 2370 °C se estabiliza la fase tetragonal y, a temperaturas superiores, la cúbica. El mineral funde a unos 2700 oC. Las transformaciones entre estas estructuras son la base de las más interesantes propiedades de este material.
En la industria, los objetos de dióxido de circonio se obtienen por sinterizado en estado sólido de polvo de ZrO2, concretamente mediante prensado isostático en caliente. El enfriamiento tiende a producir los correspondientes cambios estructurales pero produce fracturas. Se pensó que podrían investigarse algunos aditivos para estabilizar la forma cúbica y evitar esas transformaciones. Y finalmente se averiguó que esto se podía conseguir añadiendo pequeñas cantidades de óxido de itrio o itria (Y2O3) gracias a la sustitución de algunos iones Zr4+ de la red cristalina por Y3+.
Así se consigue un material que se conoce como circonia autoendurecible por transformación y que es especialmente resistente a la rotura. Su microestructura, que se observa en la imagen de cabecera, lo explica. Consiste en una matriz de circona cúbica que contiene cristales lenticulares de entre 100 y 400 nm de longitud de circonia tetraédrica. La disposición cruzada de estos cristales ya constituye de por sí una protección para evitar que una grieta que se está empezando a formar avance por el interior del material. Pero existe un mecanismo que es el que definitivamente contribuye a evitar la propagación de las grietas. Se explica a continuación.
Endurecimiento por transformación
A temperatura ambiente, los cristales tetraédricos tienen tendencia termodinámica a convertirse espontáneamente en la forma monoclínica. Pero no pueden hacerlo porque para ello necesitan expandirse, ya que la forma monoclínica ocupa un poco más de volumen que la tetraédrica. La matriz cúbica lo impide. Por lo tanto, cada de grano de circonia tetragonal está bajo tensión y posee una energía potencial de expansión. Si se empieza a formar una grieta en el material, los granos tetragonales próximos a la grieta ya pueden expandirse para transformarse en la forma monoclínica estable (ver la figura de cabecera). Esa expansión “presiona la grieta” y evita que esta se propague. Esta circonia autoendurecible tiene una tenacidad de 3 a 6 veces mayor que la circonia normal y la mayoría de las cerámicas. Resiste incluso martillazos y, de hecho, se pueden fabricar martillos con ella. Hay variantes de este material como la circonia tetragonal policristalina (o policristal de circonia tetragonal), con la que se pueden fabricar hasta cabezas de palos de golf, como esta:
