Cerâmicos

Introdução

Este trabalho tem como objectivo dar enfase às principais características dos materiais cerâmicos mais comuns, dando hipótese de aprofundar o conhecimento e a matéria estudada na cadeira sobre os polímeros.

Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos, não metálicos, formados por elementos metálicos e não metálicos, ligados quimicamente entre si fundamentalmente por ligações iónicas e/ou covalentes. Como exemplos destes materiais podem ser citados os carbonetos (carboneto de silício - SiC), os nitretos (nitreto de silício-Si3N4), óxidos (alumina-Al2O3), silicatos (silicato de zircónio-ZrSiO4), etc.

Devido à existência de planos de deslizamento independentes, ligações iónicas e/ou covalentes e ordem a longa distância, os cerâmicos são materiais duros e frágeis com pouca tenacidade e ductilidade. A ausência de electrões livres torna-os bons isolantes térmicos e eléctricos. Têm geralmente temperaturas de fusão bastante elevadas e grande estabilidade química, o que lhes confere uma boa resistência à corrosão.

Os materiais cerâmicos são geralmente divididos em dois grandes grupos, os cerâmicos tradicionais e os cerâmicos técnicos ou de engenharia.

Normalmente, os cerâmicos tradicionais são obtidos a partir de três componentes básicos, a argila (silicato de alumínio hidratado (Al2O3.SiO2.H2O) com aditivos) a sílica (SiO2) e o feldspato (K2O.Al2O3.6SiO2). As telhas, tijolos, a porcelana, louça sanitária e moldações cerâmicas são exemplos de aplicação deste grupo de materiais. As figuras 1 e 2 apresentam exemplos destes materiais.

Figura 1 - Exemplos de cerâmicos tradicionais.

As microestruturas destes materiais são, em geral, polifásicas, pelo que as suas propriedades dependem fortemente das percentagens das diferentes fases, assim como da sua forma e distribuição. Deve referir-se que a preparação de amostras cerâmicas para análise materialográfica exige a utilização de técnicas adequadas, uma vez que a sua elevada dureza e fragilidade tende a originar elevadas taxas de arrancamento dos grãos (”pull-out”) durante o polimento. Por outro lado, a sua elevada resistência à corrosão exige reagentes químicos extremamente corrosivos e concentrados, o que leva a cuidados redobrados no seu manuseamento. Nalguns casos são utilizados ataques térmicos (difusão das interfaces), que embora de menor risco são mais demorados. Nas referências indicam-se diferentes técnicas de polimento e casos de estudo.

Ao contrário dos cerâmicos tradicionais, os cerâmicos técnicos são geralmente formados por compostos puros, ou quase puros, tal como o óxido de alumínio (alumina - Al2O3), óxido de zircónio (zircónia - ZrO2), o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de silício (Si3N4). Como exemplos de aplicação destes cerâmicos pode-se citar a utilização de zircónia em facas, o carboneto de silício em anilhas e ferramentas, e a alumina em painéis de fornos, parafusos e invólucros cilíndricos de lâmpadas de alta intensidade. A alumina policristalina sem poros utilizada na lâmpada referida (Lucalox), possui excelente transmissão de luz e elevada resistência à corrosão e foi patenteada em 1961 pela General Electric. Dentro do invólucro encontrava-se vapor de sódio a elevada pressão, o qual, naquela altura, possuía maior eficácia na produção de luz (105 lumens/watt) do que qualquer outra lâmpada do espectro (18 lumens/watt para uma lâmpada normal).

Figura 2 - Vazamento de uma liga metálica numa molde cerâmico.

Desenvolvimento

- Materiais cerâmicos utilizados em prototipagem rápida e fabrico rápido de ferramentas

Os materiais cerâmicos têm vindo a ser cada vez mais aplicados na prototipagem rápida e no fabrico rápido de ferramentas. A necessidade actual de reduzir os tempos e os custos de desenvolvimento de um novo produto levou ao aparecimento das tecnologias de prototipagem rápida (RP- Rapid Prototyping) e, posteriormente, ao fabrico rápido de ferramentas (RT- Rapid Tooling) e ao fabrico directo (RM – Rapid Manufacturing). Ambas as tecnologias são hoje de uso corrente nos mais diversos sectores de actividade. A sua utilização vem ao encontro das estratégias actuais das empresas que procuram fazer bem e depressa. Na verdade, a preocupação das empresas em reduzirem o tempo de colocação de um novo produto no mercado, designado por ‘time to market’, despoletou o desenvolvimento de um grande leque de processos de RP e RT. Desde o aparecimento do primeiro processo de prototipagem rápida, a estereolitografia (SL- stereolitography da 3M , Valencia, CA, USA), em 1987, não têm parado de surgir novos processos. No ano de 2005 encontravam-se em comercialização cerca de 35 processos, e hoje em dia procura-se o RM, já a ser utilizado na indústria aeronáutica e aeroespacial.

Os vários processos de RP baseiam-se na criação de um desenho CAD 3D, o qual é fornecido ao equipamento de prototipagem rápida sob a forma de um ficheiro “STL”. A máquina de prototipagem divide então o desenho do objecto em camadas paralelas de espessura igual à das sucessivas camadas em que vai ser realizado (geralmente cada camada tem uma espessura típica da ordem de 0.1 a 0.3 mm, apesar de actualmente já existirem diversos equipamentos a operarem com materiais que geram camadas muito mais finas). Em seguida, o equipamento constrói, camada a camada, o objecto desenhado.

Os materiais cerâmicos têm vindo a ser utilizados, entre outros, nos seguintes processos de RP:

• SLS (sinterização selectiva por laser) da DTM Corp. (Austin, Texas, USA), utilizado no fabrico de moldes e machos para fundição em moldação em areia (areias de sílica e de zircónio);

• LOM (fabricação de objectos por camadas) da antiga Helysis Inc. (Torrence, CA, USA), utilizado no desenvolvimento de “tape casting” de AlN e SiC infiltrado com Si. Ambos os materiais são misturados com 55% em volume de um ligante polimérico;

• DSPC (produção directa de carapaças cerâmicas) da Solingen Techn. Inc. (Northridge, CA, USA);

• TDP,