• Drano Rauteon

CTM: Cerâmicas e Vidros

Atualizado: há 5 dias

Vamos trazer nesta publicação a concatenação de informações sobre os minerais que compõem o Vidro e a Cerâmica!


Isto vai muito além de uma explicação de aula de Química do Ensino Médio. Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer "é vidro" ou "é de cerâmica", por exemplo. Mas isto vai muito além destes simples nomes.


Assim como plásticos e borrachas, a indústria química desenvolveu várias combinações de materiais, criando vários tipos de ligas metálicas diferentes, enfim, materiais que se encaixam nas mais diversas aplicações. O vidro e a cerâmica estão entre as criações Humanas mais 'jurássicas', por assim dizer.


Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, saber o que estamos comprando, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los.

Outra coisa fácil de se observar na população leiga e até entre profissionais de diversos ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errados).


Nesta série de artigos, com a concatenação de informações selecionadas em vários sites, escritas por vários autores, trago a explicação resumida sobre vidros e cerâmicas e exemplos de utilização na indústria, com enfoque na elétrica, eletrônica e automobilismo.

Neste tópico vamos classificar os elementos que compõem a cerâmica e o vidro. A princípio vamos começar com duas estruturas principais: os Óxidos e os Carbetos.

Ao longo do tempo, o texto vai sendo estendido e trará mais informações relevantes sobre Nitretos, bem como sobre Óxido de Boro e afins.


Óxidos


Alguns elementos químicos da Tabela Periódica são extremamente abundantes no planeta Terra. Um deles, em especial, é fundamental para que a vida nesse planeta continue: o Oxigênio.

Ele não só está presente na nossa atmosfera, mas também na água que bebemos e no copo de vidro que você usa pra beber a água, ou então na cerâmica da xícara que você usa pra tomar café, ou chá... O fato é que ele não recusa união, se combina com qualquer coisa, e dessas combinações surgem minerais abundantes na natureza.

Em palavras mais profundas, um Óxido é um composto químico binário formado por átomos de Oxigênio com outro elemento, porém, em que o Oxigênio é o mais eletronegativo.


OBSERVAÇÃO: Nos óxidos, o elemento mais eletronegativo deve ser o Oxigênio. Compostos como o OF2 ou O2F2 não são óxidos, pois o Flúor é mais eletronegativo, tornando-os conhecidos como 'Fluoretos de Oxigênio'.


Os Óxidos possuem uma grande classificação, da qual vamos tratar apenas de algumas principais...


Óxidos Basicos: Os de caráter mais básico são os Óxidos de metais alcalinos e alcalino-terrosos. São Óxidos em que o elemento ligado ao Oxigênio é um metal com baixo número de oxidação (+1 e +2, exceto Pb, Zn, Al, Sb e Sn, os quais formam sempre óxidos Anfóteros).

Os óxidos básicos possuem estrutura iônica devido à diferença de eletronegatividade entre o metal (que é baixa) e o Oxigênio (que é alta), e por terem este caráter iônico apresentam estado físico sólido. Alguns exemplos:

-> Na2O - Óxido de Sódio;

-> CaO - Óxido de Cálcio;

-> BaO - Óxido de Bário;

-> CuO - Óxido de Cobre (óxido cúprico);

-> Cu2O - Óxido de Cobre (I - óxido cuproso/cuprita);

-> FeO - Óxido de Ferro (II - óxido ferroso).


Óxidos Anidridos: São óxidos em que, geralmente, o elemento ligado ao oxigênio é um ametal. Possuem estrutura covalente, pois a diferença de eletronegatividade entre o Oxigênio e o outro elemento não é tão grande. Resultam da desidratação dos ácidos e, por isso, são chamados também de 'Anidridos de ácidos'. Alguns exemplos:

-> CO2 - Dióxido de Carbono (Anidrido carbônico);

-> SO2 - Dióxido de Enxofre (Anidrido sulfuroso);

-> SO3 - Trióxido de Enxofre (Anidrido sulfúrico);

-> Cl2O - Óxido de Cloro (Anidrido hipocloroso);

-> SiO2 - Dióxido de Silício (Anidrido silícico).


Óxidos Anfóteros: São Óxidos de metais de transição e semi-metais, que apresentam número de oxidação igual a 3+ ou 4+, capazes de reagir tanto com ácidos quanto com bases, fornecendo sal e água. Por esta classe ter propriedades intermediárias entre os Óxidos ácidos e os Óxidos básicos, os compostos aqui, à depender do metal ligado ao Oxigênio, podem ter predominância do caráter ácido ou básico.

O caráter ácido do Óxido aumenta à medida que seu elemento formador aproxima-se, na tabela periódica, dos não-metais.

O caráter básico do Óxido aumenta à medida que o elemento formador aproxima-se dos metais alcalinos e alcalino-terrosos.

A estrutura dos Óxidos anfóteros pode ser iônica ou covalente. Alguns exemplos:

-> SnO - Óxido de Estanho;

-> SnO2 - Dióxido de Estanho;

-> Fe2O3 - Trióxido de Ferro;

-> ZnO - Óxido de Zinco;

-> Al2O3 - Trióxido de Alumínio.


CURIOSIDADE: Os óxidos de Pb, Zn, As, Sb e Sn, independente de seus números de oxidação, são classificados como Óxidos Anfóteros.

Os Anfóteros são formados pelos elementos Al, Zn, Pb, Sn, Sb, As e Bi.


CURIOSIDADE: Alguns destes minerais recebem nomes mais amigáveis do que aqueles esquisitos utilizados pela ciência, tais como:

-> Silica (Silício + Oxigênio);

-> Alumina (Alumínio + Oxigênio);

-> Zircônia (Dióxido de Zircônio);

-> e o Cal (Óxido de Cálcio).


Alguns permanecem com seus nomes originais, como por exemplo:

-> Óxido de Zinco;

-> Óxido de Magnésio;

-> Óxido de Potássio;

-> Dióxido de Titânio...


Mas nem tudo são flores, e nomes como a Silica trazem consigo várias classes diferentes de Óxidos de Silício, mais especificamente seis, definidos de acordo com sua estrutura cristalina. Então vamos mostrar alguns dos minerais de...


Silica


Nesossilicatos: tetraedros de Silício e Oxigênio separados, unidos através de um cátion. Exemplos são:

-> Grupo da Fenaquite:

Fenaquite;

Willemite;


-> Grupo da Olivina:

Forsterite;

Faialite;


-> Grupo da Granada:

Piropo;

Almandina;

Espessartite;

Grossulária;

Andradite;

Uvarovite;

Hidrogrossulária;


-> Grupo do Zircão (Não confundir com Zircônia):

Zircão;

Torite;


-> Grupo Al2SiO5:

Andaluzita;

Cianita;

Silimanita;

Dumortierita;

Topázio;

Estaurolita;


-> Grupo da Humita:

Datolita;

Titanita;

Cloritóide;


Sorossilicatos: tetraedros de Silício e Oxigênio em duplas. Exemplos são:

Hemimorfita;

Calamina;

Lawsonita;

Ilvaíte;

Vesuvianita (idocrase);


-> Grupo do Epídoto:

Zoisite;

Clinozoisite;

Epídoto;

Alanita;


Ciclossilicatos: arranjo em forma de anéis. Exemplos são:

Axinita;

Berilo;

Cordierita;

Turmalina;


Inossilicatos: tetraedros organizados em cadeias, sendo estas simples ou duplas. Exemplos são aqueles de cadeia simples e os de cadeia dupla:

-> Grupo da Piroxena:

Enstatita - série da ortoferrosilita:

Enstatita;

Bro;

Hiperstena;

Clinohiperstena;


-> Pigeonita:

Série Diópsido - hedenbergita:

Diópsido;

Hedenbergita;

Johannsenita;

Augita;


Série das piroxenas sódicas:

Jadeíta;

Onfacita;

Acmita (aegirina);

Espodúmena;


-> Grupo dos piroxenóides:

Wollastonita;

Rodonita;

Pectolita;


-> Grupo da anfíbola:

Antofilita (Fonte de Amianto);

Série da Cummingtonita;

Cummingtonita;

Grunerita;

Série da Tremolita;

Tremolita (Fonte de Amianto);

Actinolita (Fonte de Amianto);

Horneblenda;

-> Grupo das Anfíbolas sódicas:

Glaucofano;

Riebeckita;

Crocidolita;

Arfvedsonita;


Filossilicatos: arranjo em forma de folhas tetraédricas. Exemplos são:

Talco;

Pirofilita;


-> Grupo das Serpentinas:

Antigorita;

Crisótilo (Fonte de Amianto);


-> Grupo das argilas:

Caulinita;

Esmectita;

Montmorillonita;

Ilita;


-> Grupo das micas:

Moscovita;

Flogopita;

Biotita;

Lepidolita;

Margarita;


-> Grupo da clorita:

Apofilita;

Prehnita;


Tectossilicatos: tetraedros em arranjo tridimensional.

Petalita;

Analcima;


-> Grupo do quartzo:

Quartzo;

Tridimita;

Cristobalita;


-> Grupo dos feldspatos:

Feldspatos potássicos:

Microclina;

Ortoclase;

Sanidina;


Feldspatos da série da plagioclase:

Albita;

Oligoclase;

Andesina;

Labradorita;

Bytownita;

Anortita;


-> Grupo dos feldspatóides:

Leucita;

Nefelina;

Sodalita;

Lazurita;


-> Grupo da escapolita:

Marialita;

Meionita;


-> Grupo dos zeólitos

Natrolita;

Chabazita;

Heulandita;

Estilbita;


Todos os minerais desta lista mostram o quão abundante é o Silício na natureza. Mas vamos focar neste texto as explicações sobre um punhado deles, especificamente os mais utilizados na indústria automobilística e eletrônica.


OBSERVAÇÃO: O foco deste texto é tratar sobre cerâmicas e vidros, no entanto, é conveniente trazer outras aplicações populares para alguns tipos de silica, até para que se entenda melhor este e outros textos aqui do HC:


CURIOSIDADE: O Asbesto (da palavra grega ἀσβεστος, significando "indestrutível", "imortal", "inextinguível") ou amianto (do grego αμίαντος, significando "puro", "sem sujidade", "sem mácula") é uma designação comercial genérica para a variedade fibrosa de sais minerais metamórficos encontrados em minerais do grupo das Anfíbolas / Anfíbolas sódicas (classe dos Inossilicatos) e no grupo das Serpentinas (classe dos Filossilicatos) e utilizados em vários produtos comerciais. O Brasil sempre foi um grande produtor da variante Crisótilo (das Serpentinas) até a proibição deste material.

Trata-se de um material com grande flexibilidade e resistência química, térmica (pode resistir a até 1000 °C), elétrica e à tração muito elevadas, e que além disso pode ser tecido.

O material é constituído por feixes de fibras. Estes feixes são constituídos por fibras extremamente finas e longas facilmente separáveis umas das outras com tendência a produzir um pó de partículas muito pequenas que flutuam no ar e aderem às roupas. As fibras podem ser facilmente inaladas ou engolidas podendo causar graves problemas de saúde.


A fibra de Amianto foi muito utilizada na indústria automobilística para materiais de atrito (lona de freio e lona de embreagem, por exemplo), bem como em peças de vedação do motor e sistema de admissão e escape (juntas de cabeçote e juntas de coletores), até que as variantes provenientes da classe das Anfíbolas (conhecidos como Amianto Azul ou Marrom) fossem banidas no Brasil em 1991 e a variante Crisótilo (das Serpentinas) fosse banida por aqui em 2017.

Em 2012, a Chery foi notificada pelo modelo Cielo e Tiggo utilizarem duas juntas de vedação do motor feitas com um compósito incluindo fibra de Amianto. Mesmo os veículos estando homologados para o país, a montadora voluntariamente fez o Recall de 12.462 unidades.


CURIOSIDADE: Talco é um mineral argiloso da classe dos Filossilicatos, composto de Silicato de Magnésio Hidratado com a fórmula química Mg3Si4O10(OH)2. Ocorre na natureza como massas foliadas a fibrosas e em uma forma cristalina excepcionalmente rara. Tem uma perfeita clivagem basal e uma fratura plana desigual. Este mineral é usado como agente espessante e lubrificante, além de aditivo para compósitos poliméricos, mais especificamente aqueles com base em resina de Polipropileno (PP).

Um problema particular com o uso comercial do Talco é sua localização frequente em depósitos subterrâneos com minério de Asbesto. Existe um punhado de variedades de Amianto, sendo o mais comum no meio industrial o amianto branco, do grupo das Serpentinas. Os minerais serpentinos são silicatos de folha, e embora não seja da família das Serpentinas, o Talco também é um silicato de folha, com duas folhas conectadas por cátions de Magnésio.

A co-localização frequente de depósitos de Talco com Amianto pode resultar em contaminação, que apresenta sérios riscos à saúde quando o pó é disperso no ar e inalado. O controle de qualidade rigoroso desde 1976, incluindo a separação de Talco de grau cosmético e alimentício do Talco de grau "industrial" eliminou em grande parte esse problema, mas continua sendo um risco potencial que exige mitigação na mineração e processamento da Silica de Magnésio.


CURIOSIDADE: A Mica é um grupo de minerais pertencente a classe dos Filossilicatos. Dentro deste grupo encontram-se os silicatos hidratados de Alumínio, Potássio, Sódio, Ferro, Magnésio e, por vezes, Lítio, cristalizado no sistema monoclínico, com diferentes composições químicas e propriedades físicas.

No grupo das Micas encontram-se a biotita, moscovita, lepidolita, flogopita (um tipo de biotita) e a margarita. Para ser utilizado em capacitores, um mineral da classe das Micas passa por um processo de laminação (já que possuem uma clivagem fácil) para então serem intercaladas com os eletrodos. Por ser mais flexível, é menos quebradiço que o vidro e um excelente dielétrico. O que a tornou pouco utilizada foi a baixa incidência do mineral na crosta terrestre e, em partes, a dificuldade de miniaturização destes componentes, o que ocasionou na descoberta de um grande substituto em forma de cerâmica: O Dióxido de Titânio e suas variantes.

Para saber mais sobre os capacitores de Mica, CLIQUE AQUI!


Agora vamos para aquele que pode ser considerado o segundo mais comum:


Alumina

Imagem 1


A Alumina, que em sua forma cristalina é chamada "Coríndon" ou "Corundum" provém do minério Bauxita, que é composto predominantemente pelos minerais:

-> Diásporo - αAlO(OH);

-> Boehmita - γAlO(OH);

-> Gibbsita - Al(OH)3;

-> Óxidos de Ferro goethita e hematita,

-> Caulinita (do grupo das Argilas);

-> e pequenas quantidades de Anatásio (TiO2).


Também pode ser encontrada com impurezas em pedras preciosas, como é caso do Rubi e da Safira. Assim como nas silicas, as aluminas são classificadas de acordo com a formação geométrica de sua cadeia cristalina, havendo então os tipos mais comuns:


Alfa-Alumina;


Beta-Alumina;


Delta-Alumina;


Ípsilon-Alumina;


Zeta-Alumina.


CURIOSIDADE: O Óxido de Alumínio é um Óxido Anfótero, reagindo tanto com ácidos quanto com bases e é responsável pela resistência às intempéries do alumínio metálico. O metal Alumínio é muito suscetível ao Oxigênio atmosférico e uma camada fina de Óxido se forma rapidamente na superfície exposta do metal. Essa camada o protege de oxidação mais profunda. A espessura e as propriedades da camada de Óxido podem ser melhoradas por meio de um processo chamado de anodização.

Para saber mais sobre as ligas metálicas de Alumínio e exemplos de uso, CLIQUE AQUI!


O Óxido de Alumínio é um excelente isolador térmico e elétrico, com uma condutividade térmica na faixa dos 28 W / mK.


OBSERVAÇÃO: O foco deste texto é tratar sobre cerâmicas e vidros, no entanto, é conveniente trazer outras aplicações populares para o Óxido de Alumínio, até para que se entenda melhor este e outros textos aqui do HC:


CURIOSIDADE: O isolamento elétrico da Alumina pura pode ser evidenciada em capacitores eletrolíticos de Óxido de Alumínio. Eles não têm nada a ver com capacitores cerâmicos, no entanto, uma simples face oxidada de uma chapa de Alumínio forma um excelente dielétrico. Para saber mais sobre estes capacitores, CLIQUE AQUI!


Dióxido de Titânio


Este material pode ser encontrado em alguns tipos de minerais, tais como:

-> Rutilo;

-> Anatásio;

-> Akaogiite;

-> Brokkite.


O Rutilo, descrito pela primeira vez em 1803 por Abraham Gottlob Werner, é a forma mais comum de Dióxido de Titânio, sendo um mineral acessório comum em rochas metamórficas de alta temperatura e alta pressão e em rochas ígneas, tornando-se comum encontra-lo com até 10% de Ferro e quantidades significativas de Nióbio e Tântalo. Seu nome deriva do latim 'rutilus', que significa vermelho, em referência à cor observada em alguns espécimes quando vistos pela luz transmitida. Já os outros minerais são muito mais raros de se encontrar.

O Rutilo tem um dos mais altos índices de refração em comprimentos de onda visíveis se comparado com qualquer outro cristal conhecido e também exibe uma birrefringência particularmente grande e alta dispersão.


Para saber mais sobre refração, birrefringênia e disperção de luz, comece CLICANDO AQUI!


Cal


O Cal nada mais é do que o Óxido de Cálcio, que é extraído do Calcário. Em condições ambientes, é um sólido branco e alcalino.

O Calcário é uma rocha sedimentar que contém minerais com quantidades acima de 30% de Carbonato de Cálcio (aragonita ou calcita). Quando o mineral predominante é a dolomita (CaMg{CO3}2 ou CaCO3•MgCO3) a rocha calcária é denominada "calcário dolomítico".


CURIOSIDADE: As principais impurezas que o Calcário possui são as sílicas, fosfatos, carbonato de Magnésio, gipso, hematita e magnésio, sulfetos, sulfato de ferro, dolomita e matéria orgânica, entre outros.


OBSERVAÇÃO: O foco deste texto é tratar sobre cerâmicas e vidros, no entanto, é conveniente trazer outras aplicações populares para os componentes do Calcário, até para que se entenda melhor este e outros textos aqui do HC:


CURIOSIDADE: O Carbonato de Cálcio é uma 'carga branca' que concorre diretamente com o Talco como aditivo mineral em compósitos à base de polímeros, em especial a resina de Polipropileno (PP).


Zircônia


É um material branco cristalino. A sua forma mais natural, com uma estrutura cristalina monoclínica, é o principal componente do mineral Baddeleíta. É um composto que, quando processado - e até mesmo misturado / dopado com outros compostos / elementos -, pode dar origem a cerâmicas técnicas de alta qualidade.

Um outro exemplo é o composto criado em laboratório que origina as cerâmicas de Pb(Zr,Ti)O3 (Titanato Zirconato de Chumbo - PZT), que representam um sistema pseudo-binário formado pela solução sólida dos sistemas antiferroelétrico PbZrO3, com simetria romboédrica e ferroelétrico PbTiO3, com simetria tetragonal. Este sistema cerâmico tem sido amplamente estudado e utilizado em aplicações tecnológicas devido às suas excelentes propriedades dielétricas, ferroelétricas, piezoresistivas e piroelétricas.


Com o intuito de otimizar e adequar algumas de suas propriedades para aplicações específicas, as cerâmicas ferroelétricas de PZT podem ser modificadas através da dopagem com diferentes aditivos (dopantes iso- ou heterovalentes). Um dos sistemas que abrange um amplo espectro composicional é o sistema PLZT (PZT modificado com Lantânio). A adição do Lantânio na estrutura do PZT tem possibilitado efeitos positivos em algumas das propriedades básicas do material, tais como o alargamento do ciclo de histerese, diminuição do campo coercitivo (Ec), aumento da constante dielétrica, comportamento difuso da transição de fase, máximo fator de acoplamento e aumento da transparência óptica.


Óxido de Zinco


O Óxido de Zinco é um composto químico Anfótero de cor branca. Sua fórmula é ZnO e é pouco solúvel em água, porém, muito solúvel em ácidos.


OBSERVAÇÃO: O foco deste texto é tratar sobre cerâmicas e vidros, no entanto, é conveniente trazer outras aplicações populares para o Óxido de Zinco, até para que se entenda melhor este e outros textos aqui do HC:


CURIOSIDADE: Assim como o Talco, o Carbonato de Cálcio e o pó de vidro, o Óxido de Zinco em pó é uma 'carga branca' utilizada como reforço em compósitos à base de polímeros, servindo como aditivo anti-UV e até melhorando propriedades anti-estáticas de peças de borracha.

 

Carbetos


Assim como com os Óxidos, Carbetos são substâncias inorgânicas binárias (formadas por apenas dois elementos). Neste caso o Carbono é o elemento químico mais eletronegativo, ou seja, é o ânion do composto que está acompanhado de um elemento de natureza metálica.


Carbetos Iônicos: Também são conhecidos como carbetos salinos. Por apresentarem um forte caráter iônico, são sólidos. São formados pelos elementos dos grupos 1 e 2 da Tabela Periódica e também com o Alumínio, sendo estes elementos altamente eletropositivos e o Carbono, portanto, com uma carga negativa.

Os principais carbetos iônicos são:

-> Carbeto de Lítio (Li4C);

-> Carbeto de Berílio (Be2C);

-> Carbeto de Magnésio (Mg2C3);

-> Carbeto de Cálcio (CaC2);

-> e o Carbeto de Alumínio (Al4C3).


Carbetos Covalentes: São formados entre o carbono e elementos com aproximadamente a mesma eletronegatividade que ele. Os exemplos mais importantes deste grupo são:

-> Carbeto de Silício (SiC);

-> Carbeto de Boro (B4C);

-> e o Carbeto de Tungstênio (WC).


Estas substâncias podem ser muito duras devido às ligações covalentes formadas nas três dimensões.


Neste texto, será detalhado apenas os Carbetos mais comuns na indústria eletrônica e mecânica. O conteúdo será atualizado ao longo do tempo com mais informações técnicas de outros materiais.


Carbeto de Silício


Também conhecido como Carborundum (ou Carbundo), o SiC é um material feito industrialmente, já que sua forma mineral Moissanite é um cristal extremamente raro, porém, presente no mercado de jóias e sendo conhecido como "pseudodiamante" ou "imitação de diamante".

Em 1824, Jöns Jacob Berzelius, cientista sueco, sugeriu pela primeira vez a existência da ligação entre átomos de Silício e Carbono. Entretanto, apenas em 1891, o primeiro processo de fabricação industrial do material foi desenvolvido. Tal avanço tecnológico foi realizado de forma acidental por Edward Goodrich Acheson, assistente de Thomas A. Edson, durante um experimento onde se buscava sintetizar diamante a partir de Argila e Carbono.

Acheson acreditou que o produto de seu experimento era uma combinação do carbono (carbon) e da alumina (corundum) proveniente da Argila, o que o levou a nomeá-lo "carborundum". Anos depois se concluiu que esse composto sintetizado era na verdade a combinação de átomos de Silício e Carbono, mas o nome permaneceu.

O principal meio de produção industrial do SiC é até hoje o Processo Acheson, onde fontes de Carbono e Sílica são misturadas e levadas à altas temperaturas (próximas a 2600 ~ 3000 °C). Neste processo, dois eletrodos são conectados através de uma resistência, usualmente de grafite, envoltos por uma mistura de coque ou carvão (como fontes de Carbono) e Quartzo (como fonte de Sílica). A mistura é aquecida eletricamente para a formação do SiC.


O SiC é encontrado em duas estruturas principais:

-> α-SiC: O α-SiC é a forma estável do Carbeto de Silício, apresentando célula unitária hexagonal ou romboédrica. Importante salientar que este material apresenta politipismo, fenômeno no qual fases termodinamicamente idênticas apresentam estruturas de empilhamento atômico diferentes. São conhecidos aproximadamente 250 politipos de α-SiC, apresentando propriedades e características ligeiramente diferentes. Desta maneira, o produto final (SiC beneficiado) é uma mistura de diversos politipos e uma combinação das propriedades e características de cada politipo.

-> β-SiC. O β-SiC é uma estrutura cristalina transitória não estável a temperatura ambiente, podendo existir nessas condições de forma metaestável por meio de processos especiais em escala laboratorial. Sua formação ocorre em temperaturas inferiores a 2100 °C e sua estrutura cristalina é a cúbica de face centrada. Esta forma de SiC é única, não apresentando politipos.


OBSERVAÇÃO: O foco deste texto é tratar sobre cerâmicas e vidros, no entanto, é conveniente trazer outras aplicações populares para o Carbeto de Silício, até para que se entenda melhor este e outros textos aqui do HC:


CURIOSIDADE: O uso do SiC está sendo grande na microeletrônica, já que ele pode ser um semicondutor melhor que o Silício puro para a construção de transistores. Para saber mais sobre semicondutores e a usabilidade do SiC, CLIQUE AQUI!


CURIOSIDADE: O Carbeto de Silício é utilizado como uma fonte de Silício e Carbono em ligas ferrosas quando comparado a outras fontes destes elementos. Além do mais, o SiC proporciona um aumento da nucleação em ferro fundido e consequentemente melhora a qualidade final do produto e também proporciona uma redução de custo no processo. Sendo assim, este material torna-se uma boa alternativa no processo produtivo de ligas ferrosas. Para saber mais sobre as proporções de Silício e Carbono em ligas ferrosas, CLIQUE AQUI!

A Silica e a Alumina são extremamente utilizados na produção de vidros e cerâmicas para os mais diversos usos, e para a produção, outros Óxidos (ou Carbetos) aditivos são adicionados e em quantidades específicas para cada aplicação.


Vidro


Em Ciência e Tecnologia dos Materiais (CTM) o vidro é uma substância sólida de estrutura atômica amorfa e que apresenta temperatura de Transição Vítrea (Tg). No dia-a-dia o termo se refere a um material cerâmico transparente geralmente obtido com o resfriamento de uma massa líquida à base de algum derivado de sílica.

Por mais que seja amorfo, compartilhando características da estrutura de um líquido resfriado, o vidro apresenta todas as propriedades mecânicas de um sólido. Você entenderá melhor até o fim deste tópico.


CURIOSIDADE: Apesar de não serem usualmente apresentados como tal, os vidros podem ser considerados como um subgrupo dos materiais cerâmicos. Entretanto, devido à sua estrutura peculiar (ausência de organização de sua cadeia de átomos), e diferença na sequência de operações de fabricação (o vidro inicialmente é fundido em um forno e depois é conformado, enquanto as cerâmicas primeiramente são conformadas e depois passam por um forno a alta temperatura), os vidros são tratados como um grupo à parte da cerâmica.


Podemos definir a qualidade de um vidro pela sua composição química e pelo tratamento que ele sofre ao ser produzido (que chamamos de têmpera).


Vamos começar pela composição química:


Quando se trata de vidro, três componentes podem ser utilizados:


Elemento Vitrificante: Para a produção do vidro, o material base é areia de Quartzo (um Tectossilicato) ou um Aluminossilicato. Este último pode ser encontrado no grupo da Argila (da classe dos Filossilicatos) na forma de Caulinita (de nome popular Caulim), no grupo dos Zeólitos (também dos Tectossilicatos) ou no grupo AlSiO (da classe dos Nesossilicatos). Perceba que são todos Óxidos.


Elemento Fundente: Para reduzir a excessiva viscosidade do vidro de sílica, acrescentam-se óxidos alcalinos (elementos oxidados do Grupo 1 da Tabela periódica) na composição do mesmo, para que ajam como modificadores de rede, “amolecendo” a estrutura cristalina que formará o vidro. É aqui que entram o Óxido de Sódio ou Óxido de Potássio, por exemplo. Em uma determinada temperatura na faixa dos 500 °C estes elementos interagem com a Sílica, e através disso obtêm-se uma reação que resulta em um líquido silicoso, que ao ser resfriado torna-se um vidro. Tais vidros podem ser chamados de "vidros de sílica alcalina".

Dependendo da composição base do vidro, quando se é adicionado o Óxido de Chumbo, o mesmo pode agir também como modificador ou formador de rede.


Elemento Estabilizante: Para reduzir a solubilidade (propriedade do material de se dissolver ou não em uma substância) e manter a baixa temperatura de fusão dos vidros, acrescentam-se ao invés de óxidos alcalinos, fluxos estabilizantes alcalino-terrosos (óxido de Cálcio em conjunto com o óxido de Magnésio, por exemplo), que resultam nos chamados "vidros sodo-cálcicos".


CURIOSIDADE: A composição do vidro sodo-cálcico é bem controlada, já que o exagerado uso de Cálcio pode resultar em cristalização, e o pouco uso do mesmo pode acarretar em uma baixa durabilidade química do material. Esse vidro é frequentemente utilizado em garrafas, frascos, potes e janelas.


O Óxido de Boro se transforma em vidro quando resfriado em temperaturas acima de 460 °C, temperatura do seu ponto de fusão. Tal óxido é frequentemente utilizado na indústria vítrea para substituir os Óxidos alcalinos, pois o mesmo aumenta a resistência ao choque-térmico (capacidade de resistir a uma grande variação de temperatura) do material e o deixa resistente a ataques químicos, ou seja, age como Fundente e Estabilizante. Esse tipo vidro é empregado principalmente em produtos que podem entrar em contato com altas temperaturas e em equipamentos laboratoriais. Tal tipo de vidro é conhecido como "vidro borossilicato".


Com a adição da Alumina em um vidro silicato, o mesmo se torna mais viscoso em temperaturas elevadas, logo, isso possibilita que este vidro possa ser aquecido a altas temperaturas sem sofrerem deformações quando comparado aos vidros sodo-cálcicos e borossilicatos. Estes vidros são conhecidos como "vidro alumino-borossilicato".


Todavia, existem os vidros "puros", isto é, aqueles que não utilizam um fundente e um estabilizante. Estes vidros são mais conhecidos como "vidro de Quartzo" ou "vidro de Sílica", pois possuem apenas o elemento vitrificante, portanto, sendo um vidro constituído por sílica quase pura (Dióxido de Silício) na forma amorfa. Isso difere de todos os outros vidros comerciais nos quais outros ingredientes são adicionados que alteram as propriedades ópticas e físicas do material, como por exemplo a redução da temperatura de fusão.


CURIOSIDADE: Os termos "quartzo fundido" e "sílica fundida" são usados ​​de forma intercambiável, mas podem se referir a diferentes técnicas de fabricação, resultando em diferentes traços de impurezas.


O quartzo fundido é produzido pela fusão de areia de Quartzo de alta pureza efetuada a aproximadamente 1650 °C (3000 °F), existindo quatro tipos básicos de vidro de sílica comerciais:

-> Tipo I: Produzido pela fusão de quartzo em vácuo ou em atmosfera inerte.

-> Tipo II: Produzido pela fusão da areia de quartzo em uma chama de alta temperatura.

-> Tipo III: Produzido pela queima de SiCl4 (Tetracloreto de Silício) em uma chama de Hidrogênio / Oxigênio .

-> Tipo IV: Produzido pela queima de SiCl4 em uma chama de Plasma.


O vidro de Quartzo comercial geralmente contém impurezas, sendo as mais notáveis o Alumínio e o Titânio, que afetam a transmissão óptica em comprimentos de onda ultravioleta. Se a água estiver presente no processo de fabricação, os grupos hidroxila (OH) podem ser incorporados, o que reduz a transmissão no espectro infravermelho.


Quando o Alumínio é significativo na sílica, como é o caso de alguns compostos Nesossilicatos (Grupo AlSiO) e Filossilicatos (grupo das Argilas), produz-se um vidro de Aluminossilicato (AS) puro (sem os outros aditivos), com características semelhantes ao vidro de Quartzo puro.

No entanto, existem também vidros AS com concentrações inferiores a 20% de Óxidos alcalino-terrosos (Elementos do Grupo 2 da Tabela Periódica), que funcionam como estabilizantes.


Em termos de resistência temos:

Os vidros mais frágeis, de sílica e Óxidos alcalinos;

Os mais comuns e baratos, de sílica sodo-cálcica (Óxidos alcalino-terrosos);

Vidros para altas temperaturas e choques-térmicos, os borossilicatos;

Vidros para elevadíssimas temperaturas, os alumino-borossilicatos;

Vidros feitos apenas de areia de Quartzo ou AS, isto é, com poucas impurezas e sem aditivos.

Vidros AS com um porcentagem baixa de Estabilizantes (Óxidos alcalino-terrosos).


Agora, as características definidas por têmpera:


O vidro temperado é fabricado a partir daqueles descritos anteriormente, mas passa por um tratamento térmico aprimorado, denominado como têmpera. Tal tratamento tem como finalidade estabelecer tensões elevadas de compressão em pontos superficiais do vidro e correspondentes a altas tensões de tração no centro.

CURIOSIDADE: Comparado ao vidro convencional, o vidro temperado tem uma elevada resistência mecânica a grandes impactos (cinco vezes maior), além de conseguir suportar variações de temperatura de até 227 °C. O vidro normal, quando quebrado, se fragmenta em grandes pedaços, que muitas vezes são pontiagudos e cortantes. Diferente do vidro convencional, o temperado se fragmenta em pequenos pedaços, com formatos arredondados e menos cortantes, garantindo mais segurança do usuário.


Para compreender o processo de têmpera, precisamos ir além e entender a estrutura amorfa do vidro, começando por um pequeno detalhe:

Quando um material passa do estado líquido (amorfo) para o estado sólido cristalino, existe uma chamada 'temperatura de solidificação' ou 'temperatura de fusão', que é o ponto exato onde a cadeia de átomos bagunçada passa a ser organizada e vice-versa. Essa 'temperatura de fusão' pode ser chamada também de 'temperatura de Isotropização' (abreviada Tiso).

Materiais em estado líquido (amorfo) que se solidificam e permanecem com estrutura amorfa não possuem uma temperatura de fusão / solidificação, mas sim uma 'temperatura de Transição Vítrea' (abreviada por Tg). É o caso do vidro e de polímeros.


CURIOSIDADE: A temperatura de Transição Vítrea (Tg) para o Quartzo puro fundido gira em torno dos 1200 °C, já para o vidro sodo-cálcico está na faixa dos 520 °C ~ 600 °C. Nessas temperaturas, tais materiais passam a se comportar como um líquido de ultra-alta viscosidade. No caso do Quartzo puro, ao chegar por volta dos 1650 °C ele já possui apenas uma alta viscosidade.


CURIOSIDADE: No caso de polímeros semi-cristalinos, há uma Tg para as regiões amorfas e uma Tiso para as regiões cristalinas. No caso de polímeros cristais líquidos, o comportamento líquido-cristalino se encontra na faixa de temperatura entre Tg e Tiso.


A água, por exemplo, no nosso dia-a-dia é líquida. Mas se a colocarmos no freezer, que apresenta temperaturas abaixo de 0 °C (sua temperatura de fusão ao nível do mar), ela se solidifica formando o gelo.


Quando uma substância está líquida significa que as suas moléculas não tem uma forte ligação entre si e desta forma elas podem rolar umas sobre as outras, escoando, como a água faz a temperatura ambiente.

Mas, em muitos materiais, quando a substância passa para o estado sólido (lembre-se que a temperatura de solidificação é a mesma temperatura de fusão) as moléculas se unem através de ligações químicas que organizam as moléculas de forma ordenada e repetitiva, tornando a estrutura cristalina.


Com substâncias que geram o vidro é parecido. Em altas temperaturas elas são líquidas, entretanto, apresentam uma característica de alta viscosidade. Quando elas se esfriam a viscosidade aumenta, e quando chegam na temperatura de Trnasição Vítrea suas moléculas não conseguem se organizar devido à dificuldade de se deslocarem umas em relação às outras. Quando o esfriamento é suficientemente rápido acabam chegando numa temperatura na qual a viscosidade é tão alta que as moléculas ficam 'congeladas' com a mesma estrutura bagunçada dos líquidos.


Esta estrutura bagunçada, cientificamente chamada de 'amorfa' (o oposto de cristalino) é que confere todas as propriedades que conhecemos dos vidros.


Dependendo da velocidade do esfriamento, pode haver um princípio de organização. E quanto mais organização, menor volume o vidro ocupa. É como quando fazemos uma mala. Se a arrumamos com bastante tempo e cuidado as roupas cabem perfeitamente. Mas se estamos com pressa e enfiamos todas as roupas sem dobrar pode acontecer da mala nem fechar, pois a roupa bagunçada vai ocupar um espaço maior.

Com o vidro ocorre o mesmo:

-> Alta velocidade de esfriamento significa maior desorganização e maior volume ocupado.

-> Baixa velocidade de esfriamento significa maior organização e menor volume ocupado.


Outro aspecto do vidro é que para quebra-lo são necessárias duas coisas: um início de trinca - que pode ser um risco ou um defeito na superfície - e uma força de tração que gere uma trinca a partir do defeito, rompendo a peça.


O princípio da têmpera é provocar tensão de compressão em toda a superfície do vidro - que é a região onde começam as trincas - e desta maneira dificultar sua propagação. Como o núcleo ocorre o oposto, isto é, ele fica tracionado, mas como não há defeito nesta região que inicie uma trinca, o material permanece íntegro.


Para se conseguir essa distribuição de tensões, se aquece a peça de vidro até em torno de 600 °C e em seguida se esfria rapidamente com jatos de ar em toda a sua superfície.

A superfície, que podemos chamar aqui de "pele do vidro", vai então se esfriar rapidamente, enquanto que o 'miolo', protegido por esta pele se esfria mais lentamente. Resultado: a pele fica com mais desorganização e, portanto, com um volume maior do que o núcleo da peça de vidro, que se esfriou mais lentamente podendo se organizar um pouco mais e vai apresentar volume menor.


Essa 'dualidade de densidade' na mesma peça faz com toda a pele fique comprimida, dificultando a propagação de trincas e aumentando a resistência mecânica da peça de três a cinco vezes mais em comparação com o vidro não-temperado.


Outra característica do vidro temperado é que, se por alguma razão uma trinca atingir a parte interna que está em tração ele quebra imediatamente, se dividindo em centenas de pequenos pedaços. Por esta razão ele também é chamado de 'vidro de segurança', pois os pedaços pequenos são menos suscetíveis de causar ferimentos.


Outra forma de têmpera, chamada de "Têmpera Química", é produzida colocado o vidro em um banho de sais de Potássio aquecido. Isso faz com que parte do Sódio que há no vidro passe para o banho e parte do Potássio passe para o vidro. Como as moléculas de Potássio tem tamanho maior que as de Sódio, a superfície aumenta de volume causando o mesmo efeito de compressão da Têmpera Térmica, só que numa profundidade muito menor. A resistência do vidro aumenta muito, inclusive contra riscos, e quando se quebra, diferentemente da tempera térmica, não se faz em pedaços tão pequenos, pois ela só atinge uma fina camada superficial.


Aplicações


Após toda esta explicação, vamos trazer alguns exemplos de uso do vidro na indústria elétrica, eletrônica e automobilística...


→ Lâmpadas Incandescentes: O bulbo destas obsoletas lâmpadas, em geral, é feito de Quartzo fundido ou Aluminossilicato fundido, não tendo aditivação e contendo poucas impurezas. Para saber mais sobre Lâmpadas Halógenas, CLIQUE AQUI!


→ Fusíveis: Alguns fusíveis possuem um invólucro composto por uma cápsula de vidro presa aos terminais do componente. O vidro utilizado segue a mesma composição do bulbo da Lâmpada Incandescente. Para saber mais sobre Fusíveis, Termofusíveis, Fusistores e PPTCs, CLIQUE AQUI!


→ Componentes mecânicos dos automóveis: A lã de vidro, em bom português "Fibra de Vidro" (abreviada por "FV" ou "GF", do inglês Fiber Glass) é utilizada para isolamento térmico e acústico, no entanto, seu uso é comum como reforço em compósitos poliméricos. Talvez os mais comuns sejam a Poliamida reforçada com FV (PA-%GF) e o Polipropileno reforçado com FV (PP-%GF), amplamente utilizadas na indústria automobilística para a confecção de componentes do sistema mecânico, tais como coletores de admissão, caixas laterais do radiador e até mesmo carcaças de coxins e cárteres de óleo.

A FV também é utilizada como reforço em resinas poliéster saturadas (tal como PET e PBT) e insaturadas (UP) para a construção de componentes automotivos diversos, bem como na confecção de malhas de correias Poli-V e dentadas.

Para conhecer detalhadamente vários exemplos de uso da Fibra de Vidro em resinas poliméricas na indústria automobilística, CLIQUE AQUI!


→ Placas de circuito e invólucros de componentes eletrônicos: Tecidos de lã de vidro são utilizados na confecção de placas de circuito impresso, juntamente com a resina de Poliepóxido. A lã de vidro também é aplicada como reforço da Poliamida em carcaças de relés automotivos e industriais, bem como em contactoras e até mesmo em cartuchos de tinta de impressoras, feitos em PET-%GF.

Para conhecer detalhadamente vários exemplos de uso da Fibra de Vidro em resinas poliméricas na indústria elétrica e eletrônica, CLIQUE AQUI!


→ O pó de vidro, abreviado por GB (Glass Bead, que pode significar "esferas de vidro") é utilizado como reforço em resinas poliméricas e até como selador de velas de ignição (preenchimento de espaço entre o castelo e o isolador cerâmico).

Para saber mais detalhes sobre 'cargas brancas' (pó de vidro, Talco, Carbonato de Cálcio, Óxido de Zinco e etc.) e 'cargas negras' (como por exemplo Negro de Fumo e Grafite) em polímeros, CLIQUE AQUI!


→ Os vidros do seu carro ou caminhão, seja o do para-brisa (laminado) ou os da laterais e traseira (temperados / temperados-tintados) são composições sodo-cálcicas temperadas - e no caso dos laminados, duas chapas temperadas intercaladas com uma de Polivinil Butiral (PVB). Todos estes vidros automotivos surgem do vidro float (chapa de vidro plana e retangular), que passa por 'recorte' e conformação aquecida para admitir o formato e a curvatura requerida.

Para saber mais sobre os selos de homologação e sobre como descobrir a data de fabricação de um vidro automotivo, veja o PDF abaixo:

Interpretação da Data de Produção dos Vidros
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As inscrições impressas em todos os vidros automotivos, bem como o acabamento pontilhado em toda a borda do para-brisa e vigia traseiro / vigias laterais são feitas com uma tinta preta de base cerâmica aplicada por serigrafia. Assim, ela esconde imperfeições dessas áreas e até equipamentos, como retrovisor interno, antenas ou sensores de chuva / luminosidade.

Imagem 2 - Vidro automotivo da vidraçaria de origem inglesa Pilkington para a montadora de origem norte-americana Ford Motor Company. As informações são serigrafadas no vidro com tinta de base cerâmica


CURIOSIDADE: Por mais liso que pareça, a rugosidade de um vidro automotivo é grande, como vemos na imagem abaixo:

Imagem 3 - A listra 'laranja' é uma trilha do desembaçador elétrico do vigia traseiro


Tal rugosidade no vidro é inadmissível em uma tela eletrônica, pois seria notável uma distorção acentuada na luz emitida pelos minúsculos subpixels que formam as imagens:

Imagem 4 - O ícone do 'menu iniciar' do Windows 10 em detalhes numa tela LCD :v


Para saber mais sobre os minúsculos pontos de luz das telas eletrônicas, podes começar CLICANDO AQUI!


→ Telas eletrônicas: A 'lisura' de superfície de uma tela de smartphone ou notebook, por exemplo, é citada neste Folder de Marketing do fabricante de vidros Schott:

Folder 1 - Telas eletrônicas podem incorporar vidro LAS ou Aluminoborossilicato


→ TVs tubo: Mas e as velhas e massudas TVs de tubo? Que tipos de vidros são utilizados?

A composição da carcaça de vidro do tubo de raios catódicos (CRT) é dada abaixo:

Tabela 1 - A composição dos massudos tubos de raios catódicos


Para saber mais sobre os monitores e televisores de tubo, CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!

 

Cerâmicas


Existem muitas definições para explicar o que é um material cerâmico. Uma das mais simples seria “materiais cerâmicos são óxidos, carbetos ou nitretos, isto é, materiais inorgânicos, cuja estrutura, após queima em altas temperaturas, apresenta-se inteira ou parcialmente cristalizada”. Isso quer dizer que, depois que o material é "queimado" num forno, os átomos da sua estrutura ficam arrumados de forma simétrica e repetida de tal modo que parecem pequenos cristais, ou seja, uma estrutura atômica cristalina.


Aqui podemos introduzir a palavra "sinterização". Mas o que seria isto?

A sinterização - ou frittage - é o processo de compactação e formação de uma massa sólida de material por calor e ou pressão sem derretê-lo até o ponto de liquefação (fusão). O estudo da sinterização é conhecido como metalurgia do pó.


CURIOSIDADE: A palavra "sinterização" vem do alto alemão médio sinter, um cognato da 'cinza inglesa'.


A sinterização acontece como parte de um processo de fabricação usado com metais, cerâmicas e plásticos, por exemplo. Os átomos nos materiais se difundem através dos limites das partículas, fundindo-as e criando uma peça sólida. Como a temperatura de sinterização não precisa atingir o ponto de fusão do material, este processo de produção é frequentemente escolhido como forma de modelagem para materiais com pontos de fusão extremamente altos, como o Tungstênio e Molibdênio, ou então o Tântalo, que é bastante utilizado na construção de capacitores.


CURIOSIDADE: Um exemplo de sinterização por calor pode ser observado quando cubos de gelo em um copo de água aderem uns aos outros, o que é impulsionado pela diferença de temperatura entre a água e o gelo. Exemplos de sinterização por pressão são a compactação da queda de neve em uma geleira ou a formação de uma bola de neve dura pressionando a neve solta.


Algumas matérias-primas cerâmicas apresentam menor afinidade com a água e menor índice de plasticidade que a argila, necessitando de aditivos orgânicos nas etapas anteriores à sinterização. O procedimento geral de criação de objetos cerâmicos via sinterização de pós inclui:

-> Mistura de água, aglutinante, defloculante e pó cerâmico não queimado para formar uma pasta;

-> Secagem por pulverização da pasta;

-> Colocação o pó seco um molde e pressionando-o para formar um corpo verde (um objeto de cerâmica cru, isto é, não sinterizado).

-> Aquecer o corpo verde a baixa temperatura para queimar o aglutinante;

-> Sinterização em alta temperatura para fundir as partículas cerâmicas.


CURIOSIDADE: Todas as temperaturas características associadas à transformação de fase, transições vítreas e pontos de fusão, que ocorrem durante um ciclo de sinterização de uma formulação cerâmica particular (ou seja, caudas e fritas) podem ser facilmente obtidas observando as curvas de temperatura de expansão durante a análise térmica do dilatômetro óptico.


De fato, a sinterização está associada a uma notável retração do material, pois as fases vítreas fluem assim que sua temperatura de transição é atingida, e começam a consolidar a estrutura pulverulenta e reduzir consideravelmente a porosidade do material.

A sinterização é realizada em alta temperatura. Além disso, uma segunda e / ou terceira força externa (como pressão, corrente elétrica) pode ser usada. Uma segunda força externa comumente usada é a pressão. Assim, a sinterização que é realizada apenas usando a temperatura é geralmente chamada de "sinterização sem pressão". A sinterização sem pressão é possível com compósitos metalocerâmicos graduados, com auxílio de sinterização de nanopartículas e tecnologia de moldagem a granel. Uma variante usada para formas 3D é chamada de prensagem isostática a quente.


Existem os dispositivos cerâmicos co-queimados, que são fabricados usando uma abordagem multicamada. Resumidamente, o material de partida são fitas 'cruas' (verdes), constituídas por partículas cerâmicas misturadas com um ligante polimérico. As fitas individuais são então levados ao forno, onde a parte de polímero da fita é queimada e as partículas cerâmicas sinterizam juntas, formando um componente cerâmico duro e denso. Estruturas metálicas podem ser adicionadas às camadas, geralmente por meio de enchimento e serigrafia.

A co-queima pode ser dividida em aplicações de baixa temperatura (LTCC, abaixo de 1.000 °C, isto é, 1.830 °F) e alta temperatura (HTCC, em torno de 1.600 °C, isto é, 2.910 °C). A menor temperatura de sinterização para materiais LTCC é possível através da adição de uma fase vítrea à cerâmica.


CURIOSIDADE: Devido a uma abordagem multicamada baseada em placas vitrocerâmicas, esta tecnologia oferece a possibilidade de integrar no corpo do LTCC componentes elétricos passivos e linhas condutoras normalmente fabricadas em tecnologia de filme espesso (Thick Film). Isso difere da fabricação de dispositivos semicondutores, onde as camadas são processadas em série e cada nova camada é fabricada em cima das camadas anteriores.


Um exemplo de uso do processo de co-queima da cerâmica é na confecção de resistores cerâmicos SMD multi-camadas (MLCC), onde centenas ou até milhares de camadas de dielétrico cerâmico e eletrodos metálicos são intercaladas e levadas ao forno para o processo de solidificação da estrutura.


Para materiais como o Nitreto de Silício, Carbeto de Silício e Carbeto de Tungstênio, usa-se uma sinterização com fase líquida, dada a dificuldade de os sinterizar criando sólidos bastante densos. A sinterização em fase líquida é o processo de mistura de um aditivo ao pó que irá derreter antes da fase de matriz. Este processo tem três etapas:

-> Rearranjo: À medida que o líquido derrete, a ação capilar puxará o líquido para dentro dos poros e também fará com que os grãos se rearranjem em um arranjo de empacotamento mais favorável.

-> recipitação em solução: Em áreas onde as pressões capilares são altas (as partículas estão próximas) os átomos irão preferencialmente entrar em solução e então precipitar em áreas de menor potencial químico, onde as partículas não estão próximas ou em contato. Isso é chamado de 'achatamento de contato'. Isso densifica o sistema de maneira semelhante ao da sinterização em estado sólido.

O amadurecimento de Ostwald também ocorrerá onde partículas menores entrarão em solução preferencialmente e precipitarão em partículas maiores, levando à densificação.

-> Densificação final: Densificação da rede esquelética sólida, movimento de líquido de regiões eficientemente compactadas para os poros.


Para que a sinterização em fase líquida seja prática, a fase principal deve ser pelo menos ligeiramente solúvel na fase líquida e o aditivo deve fundir antes que ocorra qualquer sinterização principal da rede de partículas sólidas, caso contrário não ocorrerá rearranjo de grãos.


Abaixo, deixo um PDF com alguns detalhes sobre sinterização envolvendo pós metálicos, mas que serve também para embasar todo este conteúdo:

Sinterizacão de pó metálico
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O vidro é um subgrupo da cerâmicas e é amorfo, as cerâmicas são não-metálicas mas se baseiam em elementos químicos metálicos não-ferrosos, como por exemplo o Alumínio. É quase um paradoxo, mas você irá entender!


Na cerâmica, os elementos químicos metálicos até são comuns, mas estão misturados com Oxigênio, Carbono, Nitrogênio, apresentando características específicas ao passarem por tratamentos térmicos complexos, o que pode criar cerâmicas com isolamento elétrico muito bom e excelente condutividade térmica, próprias para serem utilizadas em sistemas elétricos e eletrônicos.


Vamos focar aqui na cerâmica técnica (também chamadas de cerâmicas avançadas) utilizadas na indústria automobilística e eletrônica.


Alumina


Entre as mais utilizadas da indústria está a cerâmica de Alumina. Muito abundante na natureza, é utilizada em abrasivos e refratários em geral devido à excelente relação de custo-benefício, com preço mais acessível e ótima qualidade. Além disso, o composto é produzido através do beneficiamento da Bauxita pelo processo Bayer, sendo também a matéria-prima principal para produção do metal não-ferroso Alumínio.

Esta matéria-prima é usada quase pura (99%) ou então misturada a outros Fundentes e Estabilizantes em várias proporções (90%, 92%, 96% ou 98%), e aplicada na produção de tijolos, esferas, cones, anéis, placas, barras, isoladores, revestimentos, etc.


Na indústria automobilística, as velas de ignição de motores de combustão interna requerem um invólucro com alta rigidez dielétrica e resistência a altas temperaturas, e a Alumina é o material ideal. Veja a imagem seguinte, com os principais constituintes de uma vela de ignição do fabricante NGK:

Imagem 5 - Veja de ignição e os materiais constituintes


O corpo da vela é, basicamente, um isolador de cerâmica com um castelo metálico. A junção entre estas duas partes é feita por anéis metálicos e uma calafetagem de pó de vidro. Este pó de vidro colocado na cavidade entre as duas partes é derretido em um forno, unindo permanentemente a Alumina e o Ferro fundido.

O castelo possui a rosca de fixação da vela na parte inferior e o formato sextavado para ancoragem da chave na parte superior, além de servir como condutor elétrico para a corrente que flui do cabeçote para o eletrodo negativo.

Na imagem abaixo, uma descrição dos elementos que compõem a vela, só que desta vez fornecido pela Bosch:

Imagem 6 - Perceba que a nomenclatura de cada parte pode mudar, mas a estrutura é a mesma, bem como os materiais utilizados


CURIOSIDADE: Para saber mais sobre flashovers e sobre o sistema de ignição como um todo veja o artigo sobre bobinas de ignição (CLIQUE AQUI!) e sobre cabos de vela (CLIQUE AQUI!).


Na indústria microeletrônica a Alumina é utilizado como substrato para resistores SMD e barras resistivas SMD. Por cima de uma minúscula pastilha cerâmica o elemento resistivo, eletrodos, contatos e o invólucro plástico são depositados.

Imagem 7 - Resistores SMD possuem substrato cerâmico


Porcelana


Ainda se tratando de resistores, existem aqueles cujo núcleo - onde o fio resistivo de Carbono ou Metal é estruturado - é feito de cerâmica HVA. A cerâmica HVA é uma porcelana, já que é composto por Argila (Filossilicato), Quartzo e Feldspato (Tectossilicatos) cozidos sob alta pressão e temperatura (um processo de sinterização). Eles permitem potências mais altas do que os resistores com núcleo cerâmico comum (que pode ser feito de Alumina).

Para saber muito mais sobre resistores Axiais e SMDs, bem como vários exemplos de uso, CLIQUE AQUI! (Parte 1) e CLIQUE AQUI! (Parte 2).


Titanatos


Quando se tratam de capacitores de cerâmica, os compostos de Titânio dominam, sendo o mais comum, amplamente utilizado pela indústria o Titanato de Bário.

Os capacitores de camada de barreira interna (IBLC), que também são cerâmicos, fazem uso de materiais como por exemplo o CaCu3Ti4O12 (abreviada por CCTO). Esta cerâmica possui valores de permissividade dielétrica de até 300.000.

Para saber mais sobre capacitores de cerâmica, CLIQUE AQUI!


Os catalisadores empregados em motores de ignição por compressão (motores de ciclo diesel), chamados SCR (Selective Catalytic Reduction) e DOC (Diesel Oxidation Catalyst) empregam um substrato (colméia) feito de Dióxido de Titânio revestido com Molibdênio impregnado com Paládio ou Platina.


CURIOSIDADE: Os catalisadores SCR trabalham com ARLA 32 para a neutralização de NOx.


Dióxido de Zircônio


Como material mais avançado a indústria usa Dióxido de Zircônio (ou Zircônia), um material com alta resistência a abrasão, baixo coeficiente de atrito e desgaste, com maior densidade e maior tenacide que a Alumina. É usado na fabricação de sensores, por exemplo.

Este tipo de cerâmica dificilmente é notada no cotidiano das pessoas, pois em sua maioria, faz parte de componentes eletrônicos minúsculos.

Um exemplo é a sonda Lambda, montada no sistema de escape dos motores de combustão interna modernos, e que desde o princípio se baseou numa estrutura de Dióxido de Zircônio recoberta com Platina microporosa. Ficou curioso? Para saber mais sobre o Sensor Lambda CLIQUE AQUI!


Outro exemplo é o sensor de pressão (MAP) do coletor de admissão dos motores de combustão interna. O sensor MAP analógico, em geral, utiliza-se da cerâmica piezoelétrica de Titanato-Zirconato de Chumbo (PZT), isto é, eles consistem em cristais mistos de Zirconato de chumbo (PbZrO3) e Titanato de Chumbo (PbTiO3). Os componentes de piezocerâmica possuem uma estrutura policristalina contendo vários cristalitos (domínios) e cada um é composto de uma pluralidade de células elementares.


CURIOSIDADE: As células elementares dessas cerâmicas ferroelétricas exibem a estrutura de cristal perovskite, a qual pode geralmente ser descrita pela fórmula A2+B4+O32.


Óxido de Zinco


A cerâmica de Óxido de Zinco possui características semicondutoras e é aplicada em um componente eletrônico relativamente comum: o Varistor.

Varistores são componentes eletrônicos que protegem um circuito de surtos de tensão, podendo trabalhar em conjunto com o fusível, que protege o circuito de surtos de corrente elétrica. Para saber mais sobre os varistores, CLIQUE AQUI!


CURIOSIDADE: Apesar da popular aplicação, o Óxido de Zinco pode ser substituído por cerâmica de Carbeto de Silício em Varistores, no entanto, tais componentes ainda são incomuns.


Cordierita


A Cordierita (Mg2Al4Si5O18) tem composição estequiométrica de 51% SiO2, 35% Al2O3 e 14% MgO (% em peso). Ela pode ser feita em laboratório utilizando-se de vários silicatos, e neste caso, difere do mineral Ciclossilicato Cordierita pela ausência de Ferro junto do Magnésio. A principal característica de cerâmicas a base de cordierita é o baixo valor de coeficiente de expansão térmica, que resulta em elevada resistência ao choque térmico, sendo utilizada como material refratário.

Um de seus usos mais comuns é no substrato do conversor catalítico do sistema de exaustão de gás do motor de combustão interna dos automóveis. No Brasil, desde o ano 1997 que a legislação obriga os fabricantes a incorporarem um catalisador após o coletor de escape do motor.

Há vários tipos de catalisadores automotivos, mas os mais comuns atualmente são os denominados "3-vias", empregados em motores de ignição por centelha (motores a gasolina, a etanol e a GNV). Em geral, estes componentes possuem o substrato (colméia) de Cordierita revestida de Alumina impregnada com Platina, Paládio e Ródio.


CURIOSIDADE: Via de regra, os catalisadores monolíticos virgens usados na indústria automotiva possuem em torno de 1,89 g/kg de Platina, 0,29 g/kg de Paládio, além de 0,10 g/kg de Ródio, metais preciosos de altíssimo valor agregado. Os materiais nobres promovem três reações (daí o nome "3 vias"). Estas reações são:

-> Conversão de moléculas de CO (Óxido de Carbono) em CO2;

-> Conversão de hidrocarbonetos (combustível parcialmente queimado) em CO2 e H2O (vapor d'água);

-> Conversão de NO e NO2 (Óxido e Dióxido de Nitrogênio, respectivamente) em N2 e O2.

Cerâmicas e vidros não são tão simples quanto parecem. Além de existirem centenas e centenas de tipos diferentes para aplicações específicas, não há uma designação clara do que é o que, e cabe a nós pesquisar e estudar pra distinguir aquilo que está na nossa frente sem se utilizar de nomes / termos vagos ou chulos.

Tal como aconteceu com o artigo sobre plásticos e borrachas, que começou com um e se tornou uma série de publicações, ou dos artigos sobre metais, que já são uma série desde a concepção, esta publicação se tornará, em breve, uma série de capítulos cada vez mais densos de informação, afim de enriquecer cada vez mais nossa sabedoria não apenas sobre CTM, mas sobre o funcionamento de (quase) tudo!


Pra sugestões, dúvidas ou reclamações, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com.


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FONTES e CRÉDITOS


Texto: Leonardo Ritter


Imagens e gráficos: Google Imagens; Canal da Peça; Bosch; Brasil Escola.


Fontes: Brasil Escola; Mundo Educação; Scielo.br (sobre os catalisadores 3-vias); Auto Papo (sobre os catalisadores 3-vias, SCR e DOC); MTE-Thomson (catalisadores com ARLA e sondas Lambda); Canal da Peça (Velas NGK e sensores MAP piezoresistivos); Bosch (estrutura das velas de ignição); MACEA Cerâmica Técnica Avançada (sobre SiC, WC e PZT); Cimm cerâmicas; Ceraltec cerâmicas (sobre a Alumina); Associação Brasileira de Cerâmicas - ABCERAM; Revista Auto Esporte (sobre o recall da Chery); Schott (fabricante de vidros); Fabricante de componentes eletrônicos Venkel (datasheet de resistores); StringFixer (sobre capacitores cerâmicos e co-queima); Wikipedia (sobre sinterização, co-queima, óxidos, carbetos e minerais de silica).


Última atualização: 30 de Agosto de 2022.

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