CTM: Cerâmicas e Vidros - PARTE 2

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.

No Capítulo 1 vimos alguns dos principais elementos que compõem os vidros e as cerâmicas. Pois bem, agora podemos prosseguir explicando como estes dois materiais são gerados!

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".

Passado esta introdução, vamos compreender melhor os principais tipos de vidro existentes na indústria...

Você já deve ter ouvido falar nos tais "Vidros de Quartzo". Pois bem, são aqueles onde há apenas a Sílica fundida, sem estabilizantes ou fundentes, existindo apenas algumas poucas e irrelevantes impurezas. Isso difere de todos os outros vidros comerciais nos quais outros ingredientes são adicionados e 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, com características semelhantes ao tal vidro de Quartzo.

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.

Como a energia gasta para a fundição da Sílica é muito grande, muitas aplicações necessitam que outros materiais sejam utilizados, melhorando assim a trabalhabilidade do vidro e, consequentemente, o custo de produção.

Durante séculos, o Chumbo desempenhou um papel importante em tornar o vidro o material comum, facilmente formado e de baixo custo que é. O Óxido de Chumbo reduz os pontos de amolecimento e fusão do vidro, tornando-o trabalhável em temperaturas mais baixas. Em meados dos anos 1990 começou uma forte discussão ambiental para eliminar o Chumbo de produtos comumente descartados em aterros sanitários, incluindo produtos de vidro, como lâmpadas elétricas.

Conceitualmente, a eliminação do Chumbo na indústria vidreira é simples, bastando apenas removê-lo das formulações existentes e trabalhar o material com uma temperatura mais elevada, mas esta não é uma solução prática. Por exemplo, em lâmpadas elétricas, onde o custo da lâmpada depende em grande parte do custo da matéria-prima, do custo de energia do processamento e da velocidade com que o vidro pode ser formado (velocidade de utilização do equipamento), a simples remoção do Chumbo das fórmulas de vidro exigiria reequipar as fábricas para operar com o material menos maleável e pagar os CUSTOS com energia cada vez mais altos.

Com a sociedade começando a se preocupar com o meio ambiente, outras composições tiveram de ser utilizadas, e foi aí que compostos sodo-cálcicos começaram a ter uma aplicação ainda maior.

A composição do vidro sodo-cálcico é bem controlada, já que o exagerado uso de Cálcio (CaO) pode resultar em cristalização, e o pouco uso do mesmo pode acarretar em uma baixa durabilidade química do material.

O MgO (Óxidod e Magnésio) é conhecido como um substituto parcial do CaO, mas essa substituição afeta negativamente a resistividade elétrica. Esse efeito pode ser compensado até certo ponto ajustando o componente BaO (Óxido de Bário). A dolomita (CaMg(CO3)2) é uma fonte combinada barata de Ca e Mg que pode ser usada e compensada ajustando o BaO.

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 sofrer deformações quando comparado aos vidros sodo-cálcicos e borossilicatos. Estes vidros são conhecidos como "vidro alumino-borossilicato".

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, "puros".

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 um composto de sílica sodo-cálcica ou Aluminossilicato sodo-cálcico. Até meados dos anos 1990, composições de sílica com Óxido de Chumbo (na ordem de 20% até 30% em quantidade de massa) eram aplicadas no bulbo destas lâmpadas, e até mesmo no invólucro de fluorescentes. 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!

→ Lâmpadas de descarga de baixa e alta pressão: As lâmpadas fluorescentes de baixa pressão surgiram com invólucros de vidro sodo-calcico e sofreram aprimoramentos ao longo das décadas. Já as lâmpadas de vapor de Sódio de baixa pressão necessitam até hoje de dois compostos de vidro para funcionarem. As lâmpadas de vapor de Mercúrio sob alta pressão necessitam de composições sodo-cálcicas capazes de aguentarem altas temperaturas, enquanto as de alta pressão com vapor de Sódio requerem um tubo de descarga de cerâmica PCA inserido num bulbo de vidro sodo-calcico de grande resistência térmica também. Nenhum destes vidros passa pelo processo de têmpera.

Para descobrir muito mais sobre tais lâmpadas, comece CLICANDO 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 e preenchendo os espaços entre o isolador cerâmico e o resistor interno).

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

Perceba que o uso de Óxido de Chumbo no funil pode chegar a quase 30%.

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

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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.

-> Precipitação 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 ferrosos e não-ferrosos, como por exemplo o Alumínio. É quase um paradoxo!

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.

Ferrite

O Ferrite talvez seja o melhor exemplo de cerâmica feita a partir de Óxido de Ferro!

Por ser ferromagnética, é bastante aplicada em bobinas em geral.

Para saber muito mais sobre o Ferrite, clique na propaganda abaixo:

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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 (em alguns sistemas) e uma calafetagem de pó de vidro ou silicatos. Este pó é colocado na cavidade entre as duas partes é pode ser derretido em um forno (tudo depende do projeto).

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

Para saber mais sobre a construção, o funcionamento e o desgaste das velas de ignição, CLIQUE AQUI!

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).

CURIOSIDADE: E aqueles soquetes de lâmpada?

Imagem 8 - Um soquete de lâmpada E27 feito de "louça". Uma estupenda peça de "porcelana" que me custou astronômicos R$4,07...

Aqui temos grandes confusões de nomenclatura!

Você também vai achar soquetes de lâmpada e até isoladores de alta tensão descritos como sendo de "louça" ou então "porcelana", mas raramente cerâmica.

Pois bem, "louça" ou "porcelana" são genéricamente utilizados - principalmente por leigos - para descrever uma cerâmica cuja qual não se sabe a composição. De fato são tipos de cerâmica, entretanto, os nomes não estão muito corretos.

Ao procurar no dicionário, vemos que "louça", do Latim "Luteus" (que significava o mesmo que o Grego "keramiké", que significa “feito de argila, de barro”), é uma definição para objetos feitos em cerâmica para servir refeições. Já a porcelana é uma cerâmica esbranquiçada e nada áspera utilizada para fazer utensílios de banheiro e de cozinha também.

Enquanto a palavra cerâmica tem seu ponto de partida na Grécia antiga, os primeiros objetos de porcelana são oriundos da China, e a Louça já é uma palavra oriunda da Europa.

A questão é que os soquetes de lâmpada - sejam eles de plástico ou cerâmica - que podem ser encontrados no varejo por preços na casa dos R$ 4 até 10 reais - e importados da China - são muito baratos para serem fabricados em Porcelana pura, mesmo que seja da mais mixa. De fato são peças que podem conter alguma concentração de óxidos diversos, refugos de outras indústrias, mas a Alumina ainda é a mais barata para estes fins. Outro fator é que estes soquetes ou isoladores elétricos de alta tensão passam por pintura (geralmente cores claras) e adquirem um aspecto liso, mas por baixo se esconde uma cerâmica comum. Concluímos assim que a porcelana e a louça são nomenclaturas 'banalizadas', isto é, transfomadas em nomes genéricos e aplicadas em objetos cerâmicos cuja composição não é de interesse público.

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: 28 de Maio de 2023.