Cerâmicas – Saiba tudo sobre esses materiais

Publicado por Materiais Júnior em novembro 25, 2020novembro 25, 2020

Quando pensamos em Cerâmicas, logo imaginamos peças para construção civil, vasos, louças e demais objetos de decoração muito presentes em nossas casas. Mas será que essa importante classe de materiais se resume a esses produtos? Embora as ditas ‘cerâmicas tradicionais’ estejam ao nosso redor, o estudo e desenvolvimento de outros materiais cerâmicos possibilitaram a criação e aplicação em diversos outros nichos, dos mais simples aos mais tecnológicos. 

O que são materiais cerâmicos?

A ocorrência mais antiga da palavra “cerâmica” relaciona-se com o termo grego “keramus”, que significa “feito de argila queimada”. As cerâmicas geralmente são obtidas a partir de tratamentos em altas temperaturas , mas nem todas são feitas de argila.

As cerâmicas são, na verdade, materiais naturais ou sintéticos preparados à base de óxidos e/ou não óxidos ligados por ligações de caráter misto (iônico-covalente) e subdividem-se em alguns grupos: cerâmicas tradicionais, vidros, abrasivos, cimentos e cerâmicas avançadas.

As cerâmicas são compostas de diversas matérias primas, que estão dividas em 3 grandes classes.

• Silicatos: Componente responsável pela estabilidade das massas cerâmicas, apresenta principalmente Silício e Oxigênio. Alguns dos minerais representantes são quartzo, cristobalita e tridimita;
• Argilominerais: São silicatos de alumínio hidratados, sendo a caulinita (Al2Si2O5(OH)4) o principal representante. Confere plasticidade;
• Feldspatos: Possuem menor ponto de fusão, atuando como fundentes. São modificações da sílica obtidas através da substituição de Si por Al e com a presença de metais alcalinos. Ortoclásio, Albita e Anortita são minerais dessa classe.

A estrutura cristalina dos materiais cerâmicos costuma ser bem mais complexa do que se comparada a dos metais. A natureza iônica das ligações faz com que os íons (cátions dos metais e ânions dos não-metais) componham a estrutura cristalina ao invés dos átomos.

Propriedades das Cerâmicas

A formulação e as condições de processamento das massas cerâmicas são etapas cuidadosas e complexas que irão definir as propriedades do material, e consequentemente, sua aplicação. As propriedades que colocam as cerâmicas em posição de destaque em diversas aplicações são a dureza elevada, estabilidade funcional em altas temperaturas e sua resistência química e à compressão.

Desempenho Mecânico

A alta dureza confere aos materiais cerâmicos grande utilidade em processos de corte e abrasão, mas também é responsável pelo efeito conhecido como fratura frágil . Quando submetidos a altas cargas de tração (em temperatura ambiente), esses materiais fraturam rapidamente, isso acontece pois as peças não acomodam as possíveis deformações plásticas e não é possível parar a propagação de defeitos na estrutura uma vez que elas começam. 

Comparação entre comportamento Tensão x Deformação de materiais frágeis e de materiais dúcteis Fonte: Materials Science and Engineering – Callister, William D.

Outros fatores que podem comprometer a resistência mecânica do material estão associados a defeitos na microestrutura do material, como: a formação de poros e de grãos muito grandes durante o processamento, ou mesmo, fendas superficiais originadas no acabamento da peça. Nesse caso, os poros e defeitos agem como concentradores de tensão e ajudam a propagar as trincas.

Quando submetidas à compressão, não há amplificação das tensões, o que permite que as cerâmicas apresentem um bom desempenho nessa situação, sendo até dez vezes superior se comparado ao desempenho sobre tração.

Essas características impedem que as cerâmicas sejam ensaiadas sobre tração, já que a própria força das garras do equipamento que prendem o corpo de prova é suficiente para levar à fratura do material. Por conta disso, o jeito mais utilizado para medir sua resistência é através de um ensaio de flexão, no qual o corpo de prova é apoiado em dois pontos e uma carga é aplicada entre os apoios.

O Ensaio de Flexão é muito utilizado em materiais frágeis, como as cerâmicas. Fonte: The Science and Engineering of Materials – Askeland, Donald R.

Quando esses materiais são expostos a tensões dinâmicas e flutuantes (eixos, barras de ligação, engrenagens), a falha pode acontecer após ciclos de tensões repetidos em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis, a qual chamamos de falha por fadiga . Apesar da falha por fadiga ser pouco comum em materiais cerâmicos, é necessário a escolha de cerâmicas mais tenazes para suportar as tensões cíclicas, em por exemplo, rotores de turbina.

A densidade das cerâmicas também é uma característica vantajosa para esses materiais, já que permitem uma redução de massa em peças e equipamentos. A presença de poros é um fator para possibilitar a leveza das cerâmicas..

Propriedades Eletrônicas e Estabilidade Química

Devido a natureza da ligação desses materiais (majoritariamente iônicas), as cerâmicas normalmente são bons isolantes térmicos e elétricos . Isso ocorre pois os elétrons estão ligados ao núcleo fortemente, e não podem ser facilmente conduzidos. Apesar disso, em condições especiais esses materiais podem apresentar caráter semicondutor , condutor e até mesmo supercondutor. 

Quando se fala de propriedades óticas, a maioria das cerâmicas, assim como os metais, são opacas. Porém, de acordo com o processamento, é possível obter cerâmicas translúcidas e transparentes.

Alumina (Al₂O₃) monocristalina (safira), policristalina não porosa e policristalina com 5% de porosidade. Transparente, translúcida e opaca, respectivamente. Fonte: Materials Science and Engineering – Callister, William D.

Os vidros também se destacam em aplicações que exigem transparência, mas no caso deles, essa propriedade está associada à sua estrutura amorfa e desordenada, que não impede a passagem da luz, como acontece em cerâmicas cristalinas.

No quesito resistência à corrosão, as cerâmicas se destacam por sua inércia química, já que são formadas por compostos óxidos entre elementos metálicos e não metálicos – como se já estivessem corroídos. Essa propriedade permite com que vidros sejam utilizados para armazenar líquidos e reagentes. As cerâmicas refratárias são empregadas para a produção de metais, que envolve altas temperaturas. Sua resistência ao ataque de metais e sais é essencial nesse processo.

Aplicações das Cerâmicas

Devido às suas boas propriedades, as cerâmicas possuem uma enorme gama de aplicações. As cerâmicas tradicionais são as mais comuns e incluem as terracotas (argilas), abrasivos, faianças, faianças sanitárias e porcelanas. Juntamente com os vidros (ou vitro-cerâmicas ) e os cimentos , essas cerâmicas têm aplicação recorrente na construção civil, uma vez que é responsável pela fabricação de tijolos, cimentos, vidros, lajes, telhas, pisos, azulejos e outros materiais essenciais para esse setor.

Conheça mais sobre os VIDROS em nosso texto específico para eles!!

Já as cerâmicas refratárias, são caracterizadas por sua estabilidade funcional em faixas de temperatura entre 500 e 1500ºC. O setor que mais demanda refratários atualmente é a indústria de ferro e aço – que utiliza aproximadamente 70% de todo refratário produzido empregando esses materiais nos revestimentos dos fornos que operam em temperaturas muito elevadas. Para essa aplicação, é necessário que o material aplicado na parte mais interna do forno seja denso e tenha uma baixa porosidade, já que estará diretamente em contato com os produtos que serão produzidos. Na parte mais externa do revestimento, é esperado do material uma alta porosidade e baixa condutividade térmica, garantindo que o calor do forno não seja transferido para o lado exterior, evitando possíveis perdas energéticas e acidentes de trabalho.

Cerâmicas Refratárias são empregadas na produção de metais. Foto por Kateryna Babaieva – Pexels

Cerâmicas Avançadas

As cerâmicas avançadas , por sua vez, possuem longa vida útil e podem desempenhar funções elétricas, magnéticas, ópticas, térmicas, químicas, mecânicas, biológicas e nucleares (blindagem de reatores nucleares). Para tanto, essas cerâmicas são produzidas com a mais moderna e alta tecnologia, a partir de compostos químicos de elevada pureza e processos de produção controlados. Dessa forma, suas propriedades auxiliam o desenvolvimento tecnológico de diversos setores.

Biocerâmicas

Um exemplo bastante atual é o uso de cerâmicas avançadas nos segmentos bioquímico e biomédico: as chamadas biocerâmicas são utilizados na substituição de ossos e devem apresentar propriedades físicas e biológicas compatíveis com os tecidos vivos hospedeiros, facilitando a resposta do corpo aos mesmos. As biocerâmicas ainda podem se dividir em duas subclasses: bioinertes e bioativas.

Os materiais bioinertes apresentam uma resposta interfacial mínima, apesar de não serem rejeitadas pelo tecido hospedeiro, também não se ligam efetivamente a este. A zirconita (ZrO₂) , alumina (α-Al₂O₃) e dióxido de titânio (TiO₂) são exemplos de cerâmicas bioinertes. Por outro lado, as biocerâmicas bioativas como a hidroxiapatita [Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂] e os biovidros são capazes de induzir uma atividade biológica específica.

Indústria Aeroespacial

Apesar do volume de produção industrial de cerâmicas avançadas para o setor aeroespacial não ser tão expressivo como em outros setores, essas cerâmicas representam um grande avanço tecnológico e podem ser utilizadas em aeronaves, mísseis, naves espaciais e satélites. Para isso, esses materiais devem cumprir requisitos específicos que podem variar de acordo com a aplicação, como baixa densidade, alta resistência mecânica, alta resistência ao desgaste e ao choque térmico. No mais, é essencial que esses materiais resistam e mantenham suas propriedades em condições operacionais extremas.

Processamento e Conformação de Materiais Cerâmicos

Os vidros e vitrocerâmicas são conformados em altas temperaturas, nas quais a viscosidade é menor, facilitando o trabalho da peça. As principais técnicas de conformação dos vidros são:

• Prensagem: utilizada para fabricação de peças com paredes grossas, como louças. O fluido é pressionado sobre um molde de ferro fundido.
• Sopro: Ideal para jarras, garrafas e lâmpadas. A injeção de ar força o vidro a se conformar de acordo com as paredes do molde.
• Estiramento: Realizado para peças com uma seção transversal constante, como chapas, barras e tubos.

Cerâmicas à base de argila são fabricadas a partir de dois principais métodos: Conformação hidroplástica e Fundição em suspensão. Tijolos, blocos, pisos, azulejos são geralmente fabricados através da primeira opção, que se assemelha à extrusão dos metais, onde a massa cerâmica é forçada através de uma matriz.

Formas mais complexas, como louças sanitárias e objetos de arte são fabricados através da fundição em suspensão. Esse método consiste em derramar a massa em um molde poroso (comumente feito de gesso), que com o tempo, absorverá a água.

Esquema ilustrando as etapas da fundição em suspensão na fabricação de cerâmicas

Como já citado, o controle desses processos é essencial para a produção de peças com propriedades adequadas. Porém, após a conformação, as cerâmicas ainda precisam passar por uma secagem ou cozimento. A principal função dessa etapa é retirar o líquido utilizado para dar plasticidade à massa cerâmica, aumentando a massa específica e as propriedades mecânicas.  Tempo, temperatura e outros parâmetros precisam ser controlados para que a contração da peça não gere defeitos que possam prejudicar o desempenho do material.

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