Cerâmicas funcionais são um novo tipo de cerâmica desenvolvido para a fabricação de tecnologias de ponta. São amplamente utilizadas em tecnologia de sensores, ciência da computação, bioengenharia, indústria automotiva e ciências ambientais.
Materiais de terras raras têm ampla aplicação na melhoria das características e do desempenho de cerâmicas funcionais. As terras raras aprimoram as cerâmicas funcionais que respondem a efeitos de luz, eletricidade, magnetismo, som, energia e calor.
Este artigo ajudará você a entender o uso de elementos de terras raras em cerâmicas funcionais. Vamos nos aprofundar.
Elementos de terras raras e sua importância:
Elementos de terras raras (TER) ou terras raras são 17 elementos da tabela periódica com propriedades semelhantes. Os elementos TER da tabela periódica são:
-
Lantânio (La)
-
Escândio(Sc)
-
Cério (Ce)
-
Ítrio(Y)
-
Neodímio(Nd)
-
Disprósio (Dy)
-
Praseodímio (Pr)
-
Samário (Sm)
-
Gadolínio (Gd)
-
Térbio (Tb)
-
Európio (Eu)
-
Yatterbium(Yb)
-
Hólmio (UE)
-
Promécio (Pm)
-
Lutécio (Lu)
-
Érbio(Er)
-
Túlio(Tm)
Esses 17 elementos são uma parte crucial de vários dispositivos de tecnologia avançada. Os elementos REE são usados para fabricar mais de 200 produtos com diversas aplicações.
Os REEs são amplamente utilizados na fabricação de:
-
produtos eletrônicos de consumo,
-
computadores pessoais,
-
discos rígidos,
-
veículos elétricos (VEs),
-
veículos híbridos,
-
telefones celulares,
-
televisores,
-
e monitores de tela plana, etc.
Materiais de terras raras também têm aplicações na fabricação de dispositivos de sistemas de defesa, como sistemas de radar, sistemas de sonar, sistemas de orientação, lasers e displays eletrônicos.
Vale ressaltar que a quantidade total de materiais de terras raras usados nesses produtos não é significativa em comparação ao seu volume, peso e valor, mas é essencial para o funcionamento do dispositivo.
Por exemplo, a fabricação de motores de fuso e bobinas de voz de computador requer uma fração menor de REE do que seus pesos totais. Mas não podem ser fabricados sem eles.
Atualmente, a China detém cerca de 60% a 70% das terras raras do mundo. No início da década de 1990, a produção, o fornecimento e a exportação de terras raras tornaram-se uma questão nacional na China. Depois disso, a China começou a reduzir as terras raras vendidas no exterior.
Agora, a China restringiu as exportações de sete materiais de terras raras, considerando suas aplicações e disponibilidade.
O que são cerâmicas funcionais?
Cerâmicas funcionais são tipos de cerâmica desenvolvidos para oferecer qualidades superiores às cerâmicas tradicionais e estruturais. São amplamente utilizadas em obras de engenharia magnética, elétrica e óptica.
Apresentam enorme diversidade em estrutura, composição e propriedades, podendo ser utilizados para diversos fins de alta tecnologia.
A preparação de cerâmica funcional requer um longo sistema de processamento, incluindo processamento de matérias-primas, formulação, mistura e moagem, desidratação, pré-síntese, moagem, granulação, modelagem, sinterização e eletrodeposição.
Este rigoroso método de processamento da cerâmica funcional ajuda a manter suas propriedades, como magnéticas, elétricas, térmicas, ópticas, fotoelétricas, interfaciais, mecânicas, de transporte, termodinâmicas, termoelétricas, ferroelétricas, bioativas, biocompatíveis e eletroquímicas.
Uso de elementos de terras raras em cerâmicas funcionais:
REEs para cerâmicas supercondutoras: Cerâmicas supercondutoras são materiais cerâmicos que apresentam propriedades de condução de temperatura extremas. Esses materiais não apresentam diamagnetismo e resistência zero. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO e BaPbBi estão entre as cerâmicas supercondutoras mais utilizadas. Essas composições são compostas por elementos de terras raras.
Terras raras aumentam a densidade crítica de corrente das cerâmicas e melhoram seu desempenho em campos magnéticos. Supercondutores podem transportar eletricidade sem perder energia e repelir campos magnéticos. Portanto, o campo magnético não consegue atravessar os supercondutores.
Os principais setores de uso de cerâmica supercondutora incluem sistemas de purificação de água, fabricação de supercomputadores, fabricação de trens maglev e sistemas de transmissão e distribuição de energia.
REEs para Cerâmicas Ópticas: Elementos de terras raras são uma parte essencial da cerâmica óptica. A cerâmica óptica é um tipo especial de cerâmica funcional que é transparente e permite a passagem de luz visível.
A produção de cerâmica transparente requer materiais ultrafinos puros ou cristais equiaxiais com eixos cristalinos de alta qualidade. Este cristal é a principal fase transparente e é produzido em um processo de sinterização rigorosamente mantido com uma quantidade fixa de aditivos modificadores.
Terras raras ajustam a cor, a luz, minimizam o tamanho e aumentam a eficiência energética da cerâmica óptica.
Exemplos de algumas cerâmicas ópticas usadas regularmente são alumina, trióxido de ítrio (Y2O3), cerâmica de titanato de zirconato de lantânio e chumbo (PLZT), alumina, óxido de cálcio, magnésia e óxido de tório (ThO2).
REES para Cerâmicas Magnéticas: Cerâmicas magnéticas consistem em um ou mais elementos metálicos. O principal elemento das cerâmicas magnéticas é o ferro. Cerâmicas de ferrite são um nome popular para cerâmicas magnéticas.
A ferrita é um semicondutor com resistividade maior que a dos metais magnéticos convencionais. Apresenta pequena perda por correntes parasitas.
Os materiais cerâmicos magnéticos podem ser divididos em duas categorias, de acordo com sua aplicação: materiais magnéticos macios e materiais magnéticos duros. Os materiais magnéticos duros são muito difíceis de magnetizar e desmagnetizar. Eles têm aplicações em dispositivos de armazenamento magnético e ímãs, e são compostos por ímãs de terras raras e ímãs de ferrite.
Por outro lado, os materiais magnéticos macios são propensos à magnetização e podem ser facilmente magnetizados ou desmagnetizados. A direção do fluxo magnético nesses materiais macios também pode ser alterada. Materiais magnéticos macios são comumente usados em componentes eletrônicos que precisam reagir a campos magnéticos variáveis.
Existem três tipos de cerâmicas magnéticas com base em sua estrutura cristalina: as ferritas hexagonais, as espinélios e as ferritas granadas. A ferrita granada é usada principalmente em cerâmicas funcionais. É usada em campos magnéticos de frequência extrema devido à sua alta resistividade e perdas muito baixas em alta frequência.
REEs para cerâmicas piezoelétricas: Cerâmicas piezoelétricas são cerâmicas funcionais que possuem o efeito piezoelétrico. Terras raras melhoram o desempenho de sinterização, as propriedades elétricas e o coeficiente piezoelétrico dessas cerâmicas.
O efeito piezoelétrico refere-se à capacidade de um material de criar uma carga elétrica quando submetido a uma tensão mecânica. O efeito piezoelétrico pode ser de dois tipos: positivo e negativo. Quando uma carga elétrica é criada pela tensão, é chamado de efeito piezoelétrico positivo, e quando a tensão é gerada pela carga elétrica, é chamado de efeito piezoelétrico negativo.
Zirconato de chumbo, titanato de bário e titanato de chumbo são usados principalmente como cerâmicas piezoelétricas. São conhecidos como cerâmicas piezoelétricas do tipo perovskita.
Como discutido acima, a maioria das cerâmicas supercondutoras tem como ingrediente básico os REEs. Por exemplo, a cerâmica de óxido supercondutora de ítrio, bário e cobre (YBCO) é composta de ítrio, um elemento de terras raras. Possui uma estrutura cristalina equiaxial com fórmula molecular M3(Fe5O12).
Além disso, elementos de terras raras também são usados em cerâmicas funcionais como aditivos. Quando alguns materiais de terras raras são adicionados à cerâmica funcional, sua resistência, densidade e coesão são significativamente melhoradas.
Perguntas frequentes:
O que são metais de terras raras?
Metais de terras raras são um grupo de 17 elementos, incluindo 15 lantanídeos, escândio e ítrio.
Eles são amplamente utilizados em eletrônicos de consumo, equipamentos médicos, veículos elétricos (VEs), refino de petróleo, motores de aeronaves, aplicações militares, sistemas de radar e mísseis.
Qual é o metal mais raro do universo?
O metal mais raro do universo em seu estado estável é o tântalo. Embora o frâncio seja considerado o metal mais raro, ele não possui estado estável nem uso.
Qual é o metal mais raro do mundo?
O lantânio é considerado o metal mais raro do mundo.
Como definir metais de terras raras?
Metais de terras raras são definidos como um grupo de 17 elementos raros, 15 deles conhecidos como série dos lantanídeos na tabela periódica, e os outros dois são ítrio e escândio.
O que é lingote de metal raro?
Lingotes de metais raros são barras refinadas feitas de metais incomuns, como platina, paládio e ródio. São raros na natureza e têm diversas aplicações na indústria.
Conclusão: As terras raras têm muitos usos em cerâmicas funcionais, como elementos básicos e como suplemento para aumentar o desempenho. Elas adicionaram algumas propriedades importantes a essas cerâmicas.
O uso de minerais de terras raras com cerâmicas funcionais os tornou um elemento essencial das tecnologias avançadas modernas.