Cerâmica

Tipos de materiais cerâmicos

Por conveniência, os produtos de cerâmica são normalmente divididos em quatro setores, e estes são mostrados abaixo com alguns exemplos:

• Estrutura, incluindo tijolos, tubos, piso e telhas
• Refratários, tais como forros de fornos, radianos a gás, cadinhos de aço e de vidro
• Artigos brancos, incluindo artigos de mesa, azulejos de parede, objetos de arte decorativa e artigos sanitários
• A cerâmica técnica também é conhecida como engenharia, avançada, especial e, no Japão, cerâmica fina. Tais itens incluem azulejos usados no programa Space Shuttle, bicos queimadores de gás, coletes à prova de balas, pelotas de óxido de urânio combustível nuclear, implantes biomédicos, lâminas de turbinas de motores a jato e cones de nariz de mísseis. Freqüentemente as matérias primas não incluem argilas.

Exemplos de cerâmicas

• Porcelana
• Porcelana "pasta dura", cozida a uma temperatura mais alta.
• Porcelana 'soft-paste', cozida a uma temperatura mais baixa: Porcelana de osso
• Faiança, que é frequentemente feita de barro, quartzo e feldspato
• Grés

Classificação das cerâmicas técnicas

As cerâmicas técnicas também podem ser classificadas em três categorias distintas de materiais:

• Óxidos: alumina, zircônia
• Não óxidos: carbonetos, boretos, nitretos, silicietos
• Compostos: reforçados com partículas, combinações de óxidos e não óxidos

Cada uma dessas classes pode desenvolver propriedades únicas do material.

Simulação do exterior do Ônibus Espacial enquanto aquece até mais de 1.500 °C durante a reentrada na atmosfera terrestre

Propriedades da cerâmica

Propriedades mecânicas

Os materiais cerâmicos são geralmente materiais ligados iônicos ou covalentes, e podem ser cristalinos ou amorfos. Um material mantido junto por qualquer tipo de ligação tenderá a fraturar (quebrar) antes que ocorra qualquer deformação plástica, o que resulta em má tenacidade nestes materiais. Além disso, como estes materiais tendem a ter muitos poros, os poros e outras imperfeições microscópicas atuam como concentradores de tensão, diminuindo ainda mais a tenacidade e reduzindo a resistênciaà tração. Estes combinam-se para dar falhas catastróficas, em oposição aos modos de falha normalmente muito mais suaves dos metais.

Estes materiais apresentam deformações plásticas. Entretanto, devido à estrutura rígida dos materiais cristalinos, há muito poucos sistemas deslizantes disponíveis para deslocamentos e, portanto, eles se deformam muito lentamente. Com os materiais não cristalinos (vítreos), o fluxo viscoso é a principal fonte de deformação plástica, e também é muito lento. Por causa disso, ele é ignorado em muitas aplicações de materiais cerâmicos.

Propriedades elétricas

Semicondutores

Há uma série de cerâmicas que são semicondutores. A maioria delas são óxidos metálicos de transição que são semicondutores II-VI, como o óxido de zinco.

Enquanto se fala em fazer LEDs azuis de óxido de zinco, os ceramistas estão mais interessados nas propriedades elétricas que mostram os efeitos de contorno dos grãos. Uma das mais utilizadas é o varistor.

Cerâmicas semicondutoras também são empregadas como sensores de gás. Quando vários gases são passados sobre uma cerâmica policristalina, sua resistência elétrica muda. Com o ajuste às possíveis misturas de gases, podem ser produzidos dispositivos muito baratos.

Supercondutividade

Sob algumas condições, tais como temperatura extremamente baixa, algumas cerâmicas mostram supercondutividade. A razão exata disto não é conhecida, mas existem duas grandes famílias de cerâmicas supercondutoras.

Ferroeletricidade e seus parentes

A piezoeletricidade, um elo entre a resposta elétrica e mecânica, é exibida por um grande número de materiais cerâmicos, incluindo o quartzo usado para medir o tempo em relógios e outros componentes eletrônicos. Tais dispositivos transformam a eletricidade em movimentos mecânicos e de volta, fazendo um oscilador estável.

O efeito piezoelétrico é geralmente mais forte nos materiais que também mostram piroeletricidade, e todos os materiais piroelétricos também são piezoelétricos. Estes materiais podem ser utilizados para a conversão entre energia térmica, mecânica e/ou elétrica; por exemplo, após síntese em um forno, um cristal piroelétrico permitido esfriar sob nenhuma tensão aplicada geralmente acumula uma carga estática de milhares de volts. Tais materiais são usados em sensores de movimento, onde o pequeno aumento de temperatura de um corpo quente que entra na sala é suficiente para produzir uma tensão mensurável no cristal.

Por sua vez, a piroeletricidade é vista mais fortemente nos materiais que também exibem o efeito ferroelétrico, no qual um dipolo elétrico estável pode ser orientado ou revertido através da aplicação de um campo eletrostático. A piroeletricidade é também uma conseqüência necessária da ferroeletricidade. Ela pode ser usada para armazenar informações em condensadores ferroelétricos, elementos da RAM ferroelétrica.

Os materiais mais comuns são o zirconato de chumbo e o titanato de bário. Além dos usos mencionados acima, sua forte resposta piezoelétrica é explorada no projeto de alto-frequência de alto-falantes, transdutores para sonar e atuadores para força atômica e microscópios de varredura de túneis.

Coeficiente térmico positivo

Aumentos na temperatura podem fazer com que os limites dos grãos se tornem repentinamente isolantes em alguns materiais cerâmicos semicondutores, na maioria das vezes misturas de titanatos de metais pesados. A temperatura crítica de transição pode ser ajustada em uma ampla faixa por variações na química. Em tais materiais, a corrente passará através do material até que o aquecimento joule o leve à temperatura de transição, momento em que o circuito será interrompido e o fluxo de corrente cessará. Tais cerâmicas são usadas como elementos de aquecimento autocontrolados, por exemplo, nos circuitos de degelo da janela traseira dos automóveis.

Na temperatura de transição, a resposta dielétrica do material torna-se teoricamente infinita. Enquanto a falta de controle de temperatura excluiria qualquer uso prático do material perto de sua temperatura crítica, o efeito dielétrico permanece excepcionalmente forte mesmo a temperaturas muito mais altas. Titanatos com temperaturas críticas muito abaixo da temperatura ambiente se tornaram sinônimo de "cerâmica" no contexto de capacitores cerâmicos justamente por este motivo.

Classificação das cerâmicas

Cerâmica não-cristalina: As cerâmicas não cristalinas, sendo vidros, tendem a ser formadas a partir de fundições. O vidro é moldado quando completamente fundido, por fundição, ou quando em estado de viscosidade semelhante a um caramelo, por métodos como o sopro em um molde. Se os tratamentos térmicos posteriores fizerem com que esta classe se torne parcialmente cristalina, o material resultante é conhecido como cerâmica-vidro.

Cerâmica cristalina: Os materiais cerâmicos cristalinos não são passíveis de grande variedade de processamento. Os métodos para lidar com eles tendem a cair em uma de duas categorias - ou fazer a cerâmica na forma desejada, por reação in situ, ou por "formar" pós na forma desejada, e depois sinterizar para formar um corpo sólido. As técnicas de conformação cerâmica incluem moldagem manual (às vezes incluindo um processo de rotação chamado "lançamento"), fundição deslizante, fundição com fita (usada para fazer capacitores cerâmicos muito finos, etc.), moldagem por injeção, prensagem a seco, e outras variações. (Veja também Técnicas de conformação cerâmica. Os detalhes desses processos estão descritos nos dois livros listados abaixo). Alguns métodos utilizam um híbrido entre as duas abordagens.

Fabricação in situ

O uso mais comum deste método é na produção de cimento e concreto. Aqui, os pós desidratados são misturados com água. Isto inicia reações de hidratação, que resultam na formação de cristais longos e interligados ao redor dos agregados. Com o tempo, estes resultam em uma cerâmica sólida.

O maior problema com este método é que a maioria das reações são tão rápidas que não é possível uma boa mistura, o que tende a impedir a construção em larga escala. Entretanto, sistemas em pequena escala podem ser feitos por técnicas de deposição, onde os vários materiais são introduzidos acima de um substrato, e reagem e formam a cerâmica sobre o substrato. Isto empresta técnicas da indústria de semicondutores, como a deposição química de vapor, e é muito útil para revestimentos.

Estes tendem a produzir cerâmicas muito densas, mas o fazem lentamente.

Métodos baseados em sinterização

Os princípios dos métodos baseados na sinterização são simples. Uma vez que um objeto mais ou menos mantido junto (chamado de "corpo verde") é feito, ele é cozido em um forno, onde os processos de difusão fazem com que o corpo verde encolha. Os poros do objeto se fecham, resultando em um produto mais denso e forte. A queima é feita a uma temperatura abaixo do ponto de fusão da cerâmica. Praticamente sempre resta alguma porosidade, mas a verdadeira vantagem deste método é que o corpo verde pode ser produzido de qualquer forma imaginável, e ainda assim ser sinterizado. Isto o torna um caminho muito versátil.

Há milhares de refinamentos possíveis neste processo. Alguns dos mais comuns envolvem pressionar o corpo verde para dar um avanço à densificação e reduzir o tempo de sinterização necessário. Às vezes são adicionados ligantes orgânicos como o álcool polivinílico para manter o corpo verde unido; estes queimam durante a queima (a 200-350 °C). Às vezes são adicionados lubrificantes orgânicos durante a prensagem para aumentar a densificação. Não é raro combiná-los, e adicionar aglutinantes e lubrificantes a um pó, e depois prensar. (A formulação destes aditivos químicos orgânicos é uma arte em si mesma. Isto é particularmente importante na fabricação de cerâmicas de alto desempenho, tais como as utilizadas pelos bilhões de pessoas para eletrônica, em condensadores, indutores, sensores, etc. As formulações especializadas mais usadas em eletrônica são detalhadas no livro "Tape Casting", de R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Um livro abrangente sobre o assunto, tanto para aplicações mecânicas quanto eletrônicas, é "Organic Additives and Ceramic Processing", de D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Um chorume pode ser usado no lugar de um pó, e depois lançado em uma forma desejada, seco e depois sinterizado. De fato, a cerâmica tradicional é feita com este tipo de método, utilizando uma mistura plástica trabalhada com as mãos.

Se uma mistura de materiais diferentes for usada em conjunto em uma cerâmica, a temperatura de sinterização às vezes está acima do ponto de fusão de um componente menor - uma sinterização de fase líquida. Isto resulta em tempos de sinterização mais curtos em comparação com a sinterização em estado sólido.

Outras aplicações da cerâmica

• Algumas facas são de cerâmica. A lâmina da faca de cerâmica permanecerá afiada por muito mais tempo, embora seja mais quebradiça e possa ser quebrada deixando-a cair sobre uma superfície dura.

• Cerâmicas como alumina e carboneto de boro têm sido usadas em armaduras para repelir balas. Material similar é usado para proteger os cockpits de alguns aviões militares, devido ao baixo peso do material.

• As esferas cerâmicas podem ser usadas para substituir o aço nos rolamentos de esferas. Sua maior dureza as faz durar três vezes mais. Elas também deformam menos sob carga, o que significa que têm menos contato com as paredes retentoras dos rolamentos e podem rolar mais rápido. Em aplicações de velocidade muito alta, o calor do atrito durante a laminação pode causar problemas nos rolamentos de metal; problemas que são reduzidos pelo uso de cerâmica. As cerâmicas também são mais resistentes quimicamente e podem ser usadas em ambientes úmidos, onde os rolamentos de aço enferrujariam. O maior inconveniente do uso da cerâmica é o seu alto custo.

• No início dos anos 80, a Toyota pesquisou um motor de cerâmica adiabática que pode funcionar a uma temperatura superior a 6000 °F (3300 °C). Os motores cerâmicos não requerem um sistema de refrigeração e, portanto, permitem uma grande redução de peso e, portanto, maior eficiência de combustível. A eficiência de combustível do motor mais quente também é maior pelo teorema de Carnot. Em um motor metálico, grande parte da energia liberada do combustível deve ser dissipada como calor residual para que não derreta as peças metálicas. Apesar de todas estas propriedades desejáveis, tais motores não estão em produção porque a fabricação de peças cerâmicas com a precisão e durabilidade necessárias é difícil. A imperfeição na cerâmica leva a rachaduras, que podem causar a destruição do motor, possivelmente por explosão. A produção em massa não é viável com a tecnologia atual.

• Peças cerâmicas para motores de turbinas a gás podem ser práticas. Atualmente, mesmo as lâminas feitas de ligas metálicas avançadas utilizadas na seção quente dos motores exigem refrigeração e cuidadosa limitação das temperaturas de operação. Os motores de turbina fabricados com cerâmica poderiam operar com mais eficiência, dando às aeronaves maior alcance e carga útil para uma determinada quantidade de combustível.

• A bio-cerâmica inclui implantes dentários e ossos sintéticos. A hidroxiapatita, o componente mineral natural do osso, foi feita sinteticamente a partir de várias fontes biológicas e químicas e pode ser formada em materiais cerâmicos. Os implantes ortopédicos feitos desses materiais ligam-se prontamente ao osso e a outros tecidos do corpo sem rejeição ou reações inflamatórias. Devido a isso, eles são de grande interesse para o fornecimento de genes e andaimes de engenharia de tecidos. A maioria das cerâmicas hidroxiapatitas são muito porosas e carecem de resistência mecânica e são usadas para revestir dispositivos ortopédicos metálicos para auxiliar na formação de uma ligação com o osso ou como enchimentos ósseos. Também são usados como enchimentos para parafusos plásticos ortopédicos para ajudar a reduzir a inflamação e aumentar a absorção desses materiais plásticos. Está sendo feito um trabalho para fabricar materiais cerâmicos nano cristalinos fortes e totalmente densos de hidroxiapatita para dispositivos ortopédicos de suporte de peso, substituindo metal estranho e materiais ortopédicos de plástico por um mineral ósseo sintético, mas de ocorrência natural. Por fim, estes materiais cerâmicos podem ser usados como substitutos ósseos ou com a incorporação de colágenos proteicos, ossos sintéticos.

• A cerâmica de alta tecnologia é utilizada em caixas de relógios. O material é valorizado por seu peso leve, resistência a riscos, durabilidade e toque suave. A IWC é uma das marcas que iniciaram o uso da cerâmica na relojoaria.