Cerâmicas Avançadas

INTRODUÇÃO

        Cerâmicas são compostos químicos formados pela combinação de um material metálico com um não-metálico geralmente o Oxigênio, Nitrogênio, Enxofre ou o Fósforo. Entre suas características fundamentais, pode-se destacar: fragilidade elevada, alta dureza, densidade menor que a dos metais, elevado ponto de fusão, estrutura cristalina complexa, isolamento térmico e elétrico. Devido a essas e outras características tais materiais são imensamente empregados em diversos ramos da indústria atuando como matéria-prima para produtos simples com uso comum até produtos mais complexos com aplicações bem específicas e avançadas.

        Dependendo de suas características, composição, processamento e aplicações, as cerâmicas podem ser divididas em dois grandes grupos:

- Cerâmicas Tradicionais: Consideradas um dos primeiros produtos obtidos através do uso da manipulação de materiais naturais, como argila. São o exemplo do primeiro exercício da engenharia dos materiais (sua aplicação data de mais de 9000 anos). Originadas com matéria-prima natural. Recebem esse nome por serem empregadas em indústrias mais tradicionais como: tijolos, telhas, louça, azulejos. Sua conformação é pouco controlada. Apresentam fase vítrea na sinterização. Estrutura analisável por microscópico óptico.

- Cerâmicas Avançadas: Compostos formados com o emprego de matéria-prima sintética como os óxidos de terras raras. Conformação bastante controlada. Não possuem fase vítrea na sinterização. Têm maior resistência e qualidade quando compradas com as cerâmicas tradicionais. Recebem esse nome por serem empregadas em indústrias de natureza mais avançada como: eletro-eletrônica, biomédica, aeroespacial. Sua análise estrutural deve ser feita com o microscópio eletrônico.

        

OBJETIVOS

Este trabalho tem por objetivo principal trazer de modo simples um esclarecimento geral sobre as cerâmicas “avançadas” e o seu uso no mundo atual com aplicações mais tecnológicas e complexas. Bem como mostrar um pouco sobre o panorama da indústria nacional e internacional específicas na fabricação e uso dessas cerâmicas e como são as perspectivas futuras para esses materiais.

DEFINIÇÕES DE INTERESSE

        Basicamente as cerâmicas “avançadas” seriam uma classe (subdivisão) dos materiais cerâmicos. Obtidas através da mistura de um elemento metálico com um não-metálico sendo este uma substância sintética de pureza elevada como os óxidos de terras raras, os carbetos (SiC) e nitretos (Si3N4) que conferem a essa classe de cerâmicas um aumento de suas propriedades distintas como resistência mecânica, isolamento térmico, dureza. Tornando-as bastante aplicáveis para a indústria de tecnologia fazendo com que sejam conhecidas como “cerâmicas finas” ou “cerâmicas técnicas”.

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Figura 1 – Elementos formadores das cerâmicas pela Tabela Periódica – (Fonte: Apostila “Fundamentos de Engenharia dos Materiais” – Profº Sidnei Parcionik - PucRio).

Pela Figura 1: os elementos dos quadros verdes se combinam com os do quadro azul para formar materiais cerâmicos podendo incluir outros elementos como o Si e o Ge.

Analisando as cerâmicas técnicas com mais rigor pode-se perceber:

- Composição: Obtidas por meio de matérias-primas sintéticas que proporcionam maior qualidade para o material. Dentre essas substâncias que podem formar uma cerâmica “fina”, destacam-se os compósitos como o óxido de alumínio (Al2O3), dióxido de titânio (TiO2) e o carbeto de silício (SiN4) .

- Estrutura: Obedecem as estruturas cristalinas principais com ocupação parcial das células formando figuras geométricas tridimensionais com diferentes graus de empacotamento atômico. Sendo a organização Cúbica de Face Centrada e a Hexagonal as que apresentam maior grau de compactação de seus átomos estruturais. Estas estruturas seguem o número de coordenação dos íons intersticiais e devem ser analisadas através da microscopia eletrônica.

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Figura 2 – Estruturas básicas das cerâmicas avançadas (1 = Cúbica Primitiva, 2 = Cúbica de Corpo Centrado, 3 = Cúbica de Face Centrada, 4 = Hexagonal) – (Fonte: Apresentação “Estrutura e Propriedades dos Materiais” – Profº Rubens Caram).

- Processamento: O processamento de um material cerâmico avançado segue as seguintes etapas:

1 – Compactação de partículas e pós da matéria-prima escolhida seguido de seu aquecimento;

2 – Controle do tamanho da matéria-prima selecionada (as partículas utilizadas na fabricação de cerâmicas “avançadas” devem ter certa uniformidade média em seus tamanhos para dar uma maior qualidade ao material);

3 – Moldagem do material por processo plástico, úmido ou seco (dá a forma desejada ao material fabricado);

4 – Secagem do produto conformado para eliminar o excesso de água;

5 – Sinterização do material por meio de tratamento térmico de prensagem isostática à frio e à quente (processo que visa reduzir ou eliminar a porosidade do material cerâmico unindo suas células estruturais pelo aquecimento);

6 – Esmaltagem do produto final (processo feito em alguns corpos cerâmico, depende de sua destinação, para selar as cerâmicas porosas evitando absorção de água. Faz-se aplicando um esmalte especial que é fundido sobre a superfície cerâmica e que durante o resfriamento acaba aderindo ao material).

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Figura 3 – Diagrama de blocos do processamento de um material cerâmico - (Fonte: Apresentação “Cerâmicas Avançadas” – Profª Maria Helena Robert – Unicamp).

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Figura 4 – Forno periódico utilizado para a queima de corpos cerâmicos – Nesse forno é possível controlar os ciclos tempo-temperatura os quais cada lote de material cerâmico será submetido. – (Fonte: Apresentação “Estrutura e Propriedades dos Materiais” – Profº Rubens Caram).

PROPRIEDADES

        As cerâmicas “técnicas” apresentam baixa densidade, resistência química a maioria dos agentes corrosivos, dureza elevada, resistência mecânica baixa, alta condutividade térmica e baixa condutividade elétrica. Dependendo da matéria-prima selecionada para a sua fabricação as cerâmicas “avançadas” podem apresentar maior ou menor grau de melhoria de suas propriedades básicas, dependendo de qual será a destinação para o material cerâmico fabricado.