Cerâmicas são feitas de misturas de argila, elementos terrosos, pós e água, solidificados em formas ou formatos desejados.
Elas são utilizadas há milhares de anos em diversas aplicações, desde cerâmica até soluções avançadas de engenharia. Devido às suas propriedades mecânicas e físicas únicas, as cerâmicas são utilizadas em diversos setores, como construção civil, medicina, engenharia automobilística e aeroespacial.
O artigo de hoje foca na cerâmica, começando pela definição, suas propriedades e vantagens. Vamos direto ao ponto!
Definição de Cerâmica: O que é Cerâmica?
Legenda da imagem: O que é cerâmica?
Do ponto de vista científico, a “cerâmica” é um material inorgânico não metálico. As cerâmicas diferem das outras pelas suas propriedades. cobertor em têxteis. A cerâmica é produzida por aquecimento, sinterização, compactação e solidificação.
Normalmente, as cerâmicas oferecem uma combinação de dureza, estabilidade térmica e resistência química, o que as torna úteis em muitos campos tecnológicos.
Geralmente, diferenciamos em dois tipos de cerâmica, com base em seu caso de uso:
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Cerâmica tradicional
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Cerâmica avançada
As cerâmicas tradicionais são compostas de elementos naturais ou terrosos, como feldspato, quartzo, argila, etc. Elas encontram aplicações em muitos itens domésticos do dia a dia, como jarras, vasos, potes, floreiras, itens de construção, azulejos, louças, etc., criados por meio do processo de moldagem úmida. Uma característica diferenciadora de sua microestrutura é que ela não é tão uniforme ou lisa como no caso das cerâmicas avançadas. Além disso, a microestrutura varia dependendo da composição da argila.
Cerâmicas avançadas são novos tipos de cerâmica feitos de compostos inorgânicos de alta pureza, sintetizados artificialmente e sob rigoroso controle por moldagem, sinterização e outros tratamentos necessários. São projetados para alto desempenho, com propriedades como resistência ao desgaste, resistência, extrema tenacidade e resistividade térmica e química.
Composição do material cerâmico
As cerâmicas são feitas de combinações de diversas substâncias diferentes, que podem incluir uma mistura de argila, água e alguns pós aditivos para aprimoramentos específicos, entre outros. As propriedades mecânicas, térmicas e químicas das cerâmicas variam de acordo com os tipos e proporções das matérias-primas misturadas em composições específicas. Essa composição específica das misturas, por sua vez, determina as propriedades específicas e a aplicação da cerâmica final.
Legenda da imagem: Microestrutura da cerâmica
Ingredientes principais
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Argila: Eles fornecem plasticidade e permitem fácil modelagem da cerâmica antes da queima.
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Sílica (SiO₂): Um componente importante de muitas cerâmicas, contribui muito para a dureza e resistência térmica das cerâmicas.
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Alumina (Al₂O₃): Aditivo para alta resistência, resistência ao desgaste e estabilidade térmica.
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Zircônia (ZrO₂): Usado principalmente em cerâmicas estruturais, conhecido por adicionar resistência.
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Carbonetos e nitretos: Como carboneto de silício (SiC) e nitreto de boro (BN), que proporcionam alta resistência ao desgaste e estabilidade térmica.
Tipos de Matérias-Primas
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Natural: Argila, feldspato, quartzo, caulim e outros minerais extraídos da terra.
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Sintético: Alumina, zircônia, carboneto de silício e materiais projetados para aplicações de alto desempenho.
Tipos de Cerâmica
Vários tipos de cerâmica são classificados em diversas categorias, principalmente com base em sua composição química e aplicação.
Cerâmica de Óxido
“Cerâmicas de Óxido” são compostas de óxidos metálicos, como alumínio (Al), zircônio (Zr), titânio (Ti), magnésio (Mg), etc., e são conhecidas por sua alta estabilidade térmica, resistência à corrosão e propriedades de isolamento elétrico.
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Exemplos: Alumina (Al₂O₃), Zircônia (ZrO₂)
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Aplicações: Implantes biomédicos, refratários, ferramentas de corte e isolantes elétricos.
Cerâmica de Carboneto
As "cerâmicas de carboneto" são compostas por átomos de carbono ligados a metais. São processadas por meio de um processo de sinterização. Com propriedades como extrema dureza, resistência ao desgaste e estabilidade térmica, são utilizadas como materiais de alto desempenho em engenharia avançada.
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Exemplos: Carboneto de silício (SiC), carboneto de boro (B₄C)
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Aplicações: Abrasivos, placas de blindagem, componentes de alta temperatura e componentes semicondutores.
Cerâmica de nitreto
As "cerâmicas de nitreto" contêm átomos de nitrogênio e ligações metálicas com metais. São conhecidas por sua resistência a altas temperaturas, excelente resistência mecânica e boas propriedades elétricas.
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Exemplos: Nitreto de silício (Si₃N₄), nitreto de boro (BN)
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Aplicações: Aeroespacial, rolamentos, componentes eletrônicos e aplicações de alta temperatura.
Propriedades Únicas da Cerâmica
Como mencionado anteriormente, as propriedades das cerâmicas dependem de suas composições específicas e da microestrutura atômica. Em geral, os materiais cerâmicos tendem a ser:
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Alta Dureza
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Resistente ao desgaste
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Resistente à corrosão
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Bom isolamento térmico e elétrico
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Anti-ferromagnetismo (ou seja, de natureza não magnética)
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Resistente à oxidação
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Inerte e quimicamente estável
Propriedades mecânicas de materiais cerâmicos
Legenda da imagem: Propriedades físicas da cerâmica
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Resistência ao desgaste e alta dureza: As cerâmicas possuem alta dureza e alta resistência ao desgaste. Isso as torna muito úteis na fabricação de ferramentas de corte elétrico e substâncias abrasivas. Por exemplo, o carboneto de tungstênio (WC), uma cerâmica de carboneto, é amplamente utilizado em brocas e ferramentas de corte industriais.
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Baixa ductilidade e fragilidade: Cientificamente falando, ductilidade é a capacidade de um material de se deformar permanentemente sem quebrar quando esticado. Ao contrário da maioria dos metais, as cerâmicas não apresentam deformação plástica simplesmente devido à sua baixa resistência à tração. Isso significa que as cerâmicas se deformam quando submetidas a tensões, devido à sua natureza frágil. Elas são vulneráveis à quebra em vez de se deformarem. Mesmo a presença mínima de microfissuras na cerâmica pode causar concentração repentina de tensões, causando fratura frágil. No entanto, existem algumas cerâmicas que são dúcteis à temperatura ambiente, como MgO, SrTiO3, etc.
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Alta resistência à compressão: Em geral, as propriedades da cerâmica permitem que ela suporte cargas compressivas extremas, o que é útil para aplicações estruturais. Essa propriedade permite que a cerâmica seja utilizada no setor da construção civil.
Propriedades térmicas de materiais cerâmicos
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Condutividade térmica: Cerâmicas apresentam baixa condutividade térmica em geral. Essas propriedades são especialmente utilizadas em processos que exigem isolamento térmico ou resistência a temperaturas extremas. Por exemplo, tijolos refratários feitos de cerâmica refratária são usados em fornos e fornalhas, atuando como isolantes. No entanto, algumas cerâmicas (por exemplo, Carboneto de Silício - SiC, Nitreto de Alumínio - AlN) apresentam alta condutividade térmica, tornando-as úteis na dissipação de calor (eletrônicos, trocadores de calor).
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Altos pontos de fusão: Como mencionado anteriormente, as cerâmicas têm um alto ponto de fusão, permitindo boa tendência operacional em configurações de alta temperatura.
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Baixa resistência ao choque térmico: A resistência ao choque térmico refere-se à capacidade de qualquer material de lidar com mudanças bruscas de temperatura. A maioria das cerâmicas, especialmente as tradicionais, apresenta baixa resistência ao choque térmico. Isso significa que são vulneráveis a rachaduras sob mudanças bruscas de temperatura.
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Baixa expansão térmica: Algumas cerâmicas apresentam expansão mínima com mudanças de temperatura (por exemplo, sílica fundida), promovendo estabilidade dimensional. Novamente, há exceções a essa propriedade. Algumas cerâmicas apresentam alta expansão térmica, como a zircônia (ZrO₂), que se expande significativamente com mudanças de temperatura.
Propriedades Químicas de Materiais Cerâmicos
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Alta resistência à corrosão: A maioria das cerâmicas é quimicamente estável e inerte à natureza. Isso se soma à sua forte resistência química a ácidos, álcalis e outros ambientes agressivos. Elas também são inerentemente resistentes à corrosão.
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Natureza inerte: Sua natureza inerte a fatores ambientais, como umidade, calor, etc., os torna ideais para aplicações de processamento biomédico e químico. A hidroxiapatita biocerâmica é usada em enxertos ósseos, pois não reage com fluidos corporais. Da mesma forma, a zircônia (ZrO₂), uma cerâmica resistente à corrosão, é usada em plantas de processamento químico em todo o mundo.
Aplicação de Materiais Cerâmicos
Aplicações Biomédicas
Como as cerâmicas possuem propriedades úteis como biocompatibilidade, resistência e resistência ao desgaste, elas são ativamente utilizadas em implantes médicos.
Algumas das aplicações são:
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Próteses e Implantes (devido à sua biocompatibilidade, são usados em implantes de substituição de quadril e joelho)
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Enxertos ósseos e preenchimentos (ou seja, poucas cerâmicas como a hidroxiapatita (HA) apresentam estrutura natural semelhante à óssea)
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Aplicações odontológicas (devido às suas propriedades estéticas e mecânicas, a maioria dos implantes dentários são feitos de cerâmicas como a Zircônia)
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Dispositivos médicos (encontrado em marcapassos, instrumentos cirúrgicos e sistemas de administração de medicamentos)
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Óculos Bioativos (eles também estimulam o crescimento celular, ajudando na regeneração de tecidos e na cicatrização de lesões/feridas)
Aplicações aeroespaciais
Muitos componentes de engenharia aeroespacial, como pás de turbina, escudos térmicos ou cones de nariz, exigem propriedades de materiais avançadas que também sejam capazes de corte de precisão. Cerâmicas avançadas são uma boa opção devido às suas propriedades como condutividade térmica, altos pontos de fusão, alta dureza, etc.
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Materiais estruturais (devido à alta resistência, muitas cerâmicas, como o carboneto de silício (SiC), são usadas para componentes aeroespaciais leves e de alta resistência)
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Sistemas de Proteção Térmica ou TPS (telhas cerâmicas feitas de sílica e alumina são usadas em naves espaciais para suportar temperaturas extremas durante a reentrada)
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Cerâmicas ablativas para escudos térmicos (esses tipos de cerâmicas protegem as espaçonaves durante a reentrada na atmosfera, erodindo gradualmente para absorver calor)
Eletrônicos e Isoladores
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Capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs) e resistores (cerâmicas como o óxido de alumínio são cruciais para fornecer isolamento e dissipar energia como calor, fazendo uso de MLCC e resistores)
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CIs e Semicondutores (os substratos cerâmicos são finos e planos, apresentam baixa constante dielétrica e perda dielétrica, alta condutividade térmica e boa estabilidade química)
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Semicondutores e PCBs cerâmicos (as cerâmicas têm baixa condutividade elétrica e são usadas em semicondutores e PCBs que exigem alto isolamento elétrico)
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Isoladores de alta tensão (em funcionalidades de alta tensão, cerâmicas à base de porcelana e alumina são essenciais para linhas de transmissão de energia)
Materiais de construção
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Tijolos e Telhas (devido às suas propriedades como durabilidade, resistência ao fogo e isolamento térmico, as cerâmicas à base de argila são amplamente utilizadas na construção de tijolos e telhas)
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Louças sanitárias (A maioria dos vasos sanitários, pias e banheiras são feitos de cerâmica vitrificada, pois apresentam propriedades inertes, como resistência à umidade, manchas e crescimento bacteriano)
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Cerâmica de vidro (materiais cerâmicos como o aluminossilicato de lítio são usados em bancadas e aplicações arquitetônicas por suas propriedades estéticas e de resistência ao calor)
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Fachada e Revestimento (as cerâmicas são utilizadas como materiais de fachada e revestimento em edifícios, pois oferecem as propriedades de isolamento térmico e acústico necessárias)
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Aditivos para cimento e concreto (para melhorar a resistência, durabilidade e eficiência de misturas de cimento ou concreto, aditivos cerâmicos como cinzas volantes e sílica ativa são comumente usados como aditivos)
Vantagens dos materiais cerâmicos
Legenda da imagem: Vantagens da cerâmica
Durabilidade e Longevidade
Como mencionado anteriormente, a cerâmica tem uma vida útil longa devido à sua alta dureza e natureza inerte. Isso significa que, ao contrário dos metais, a cerâmica não oxida nem corrói em ambientes agressivos. Além disso, a maioria das substâncias cerâmicas é resistente a ácidos, álcalis e outros produtos químicos agressivos.
Propriedades leves
Além de sua alta resistência, as cerâmicas são muito leves, o que as torna úteis na engenharia aeroespacial e na indústria automotiva. Por exemplo, o SiC está sendo usado em discos de freio de aeronaves devido à sua alta relação resistência-peso.
Versatilidade Estética
A mistura de diferentes substâncias durante a moldagem permite a obtenção de diversas propriedades estéticas visuais, como cores, texturas e acabamentos. Por exemplo, os porcelanatos são bastante famosos devido à sua estrutura visualmente atraente. Algumas cerâmicas também são utilizadas em óptica e displays (como o vidro safira (Al₂O₃), usado na construção de vidros temperados para telas inteligentes), devido à sua transparência e propriedades ópticas.
Limitações dos materiais cerâmicos
Fragilidade e fragilidade
Legenda da imagem: Microestrutura frágil de cerâmica
Embora geralmente tenham alta resistência à compressão, sua resistência dúctil ou à tração muito baixa os torna quebradiços e propensos a fraturas sob estresse, em vez de se deformarem plasticamente como materiais dúcteis, como metais.
Custos de produção
As formações cerâmicas passam pelo processo de sinterização (ou seja, requer processamento em alta temperatura, às vezes em centrífugas de até 1500 graus). Essa manutenção em alta temperatura aumenta os custos gerais de produção da cerâmica. Além disso, para cerâmicas avançadas, os custos de fabricação e o corte de alta precisão com CNCs ou impressão 3D também resultam em altos custos de produção. A fabricação de precisão envolve técnicas caras, como prensagem a quente, deposição química de vapor (CVD) e sinterização por plasma com faísca (SPS).
No entanto, é importante notar que os resultados gerais são altamente vantajosos para nós, humanos, devido às suas propriedades únicas.
Conclusão
Conhecemos os materiais cerâmicos, suas propriedades e vantagens. Os materiais cerâmicos desempenham um papel significativo em nosso dia a dia devido às suas propriedades únicas, como durabilidade, resistência ao calor e estabilidade química.
Com os avanços nas ciências dos materiais, cerâmicas mais avançadas, com melhores propriedades de construção, estarão disponíveis para nós.