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, enquanto no Capítulo 2 nos aprofundamos nos vidros e fibras de vidro que circundam nosso dia-a-dia. Pois bem, agora podemos prosseguir explicando como a Cerâmica é gerada!
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 até Carbetos) aditivos são adicionados e em quantidades específicas para cada aplicação. Enfim, vamos lá:
Como e do que é feita?
O vidro é um subgrupo da cerâmicas e é amorfo, já as cerâmicas são cristalinas e não-metálicas mas se baseiam em elementos químicos metálicos ferrosos e não-ferrosos, como por exemplo o Alumínio. É quase um paradoxo!
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 por exemplo pressão ou corrente elétrica) pode ser usada, sendo mais comum 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:
Na cerâmica, os elementos químicos metálicos até são comuns, mas estão misturados com Oxigênio, Carbono ou Nitrogênio formando Óxidos, Carbetos ou Nitretos, 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 aplicada 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 1 - 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 ou silicatos (em alguns sistemas). 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 2 - 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 utilizada 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 3 - Resistores SMD possuem substrato cerâmico
O Óxido de Alumínio, sendo um excelente condutor de energia térmica está presente no invólucro de pastilhas Peltier, utilizadas em sistemas de refrigeração eletrônica, enquanto o Óxido de Magnésio é aplicado em termopares de uso indústrial. Para descobrir mais sobre o efeito Seebeck-Peltier e conhecer o funcionamento de termopares e pastilhas de refrigeração, CLIQUE AQUI!
Apesar de não ser tão comum, para além de pastilhas Peltier, podemos encontrar dissipadores de calor feitos de cerâmica de Alumina ou até mesmo Carbeto de Silício. Em geral, o ponto crucial para definir a condutividade ou a isolação térmica é a porosidade da cerâmica sinterizada, isto é, quanto mais porosa maior o isolamento térmico, e quanto menos porosidade maior a condução de calor.
CURIOSIDADE: Em contrapartida, uma maior porosidade pode gerar absorção e ser prejudicial em ambientes onde há muita poeira e umidade, reduzindo o isolamento elétrico. Isto pode ser solucionado através de uma fina camada de vidro derretido sob a superfície da peça de cerâmica, impermeabilizando-a e impedindo impregnação de sujeira e infiltração de água.
A coloração das chapas de cerâmica dependem de impurezas (ou estabilizantes e fundentes), tais como Ferro ou Óxido de Ferro e Silício ou Dióxido de Silício, entre outros. Na imagem abaixo, vemos um rotedor corporativo DrayTech Vigor2920Vn com dois chips cobertos por chapas de cerâmica (sem descrição do material):
Imagem 4 - Perceba o uso de dissipadores de cerâmica na placa-mãe deste roteador
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. 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 5 - Um soquete de lâmpada E27 feito de "louça". Uma estupenda peça de "porcelana" que me custou astronômicos R$4,07...
Aqui temos grandes confusões de nomenclatura!
Você também vai achar soquetes de lâmpada e até isoladores de alta tensão descritos como sendo de "louça" ou então "porcelana", mas raramente cerâmica.
Pois bem, "louça" ou "porcelana" são genéricamente utilizados - principalmente por leigos - para descrever uma cerâmica cuja qual não se sabe a composição. De fato são tipos de cerâmica, entretanto, os nomes não estão muito corretos.
Ao procurar no dicionário, vemos que "louça", do Latim "Luteus" (que significava o mesmo que o Grego "keramiké", ou seja, “feito de argila, de barro”), é uma definição para objetos feitos em cerâmica para servir refeições. Já a porcelana é uma cerâmica esbranquiçada e nada áspera utilizada para fazer utensílios de banheiro e de cozinha também.
Enquanto a palavra cerâmica tem seu ponto de partida na Grécia antiga, os primeiros objetos de porcelana são oriundos da China, e a Louça já é uma palavra oriunda da região central da Europa.
A questão é que os soquetes de lâmpada - sejam eles de plástico ou cerâmica - que podem ser encontrados no varejo por preços na casa dos R$ 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) ou vitrificação 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.
O Óxido de Zinco também pode ter função anti-estática em plásticos e borrachas! 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! (artigo sobre plásticos e borrachas - PARTE 4) e CLIQUE AQUI! (artigo sobre condutores e isolantes - PARTE 2).
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.
Carbeto de Tungstênio (WC)
Seu uso mais comum é em brocas multimaterial ou aquelas pra furar concreto, pedras e cerâmicas. A ponta da broca possui um pedaço de cerâmica WC com geometria "V" cravado na estrutura metálica, e é comumente referida como "widia" (a explicação deste acrônimo pode ser vista na PARTE 1):
Imagem 6 - Parte da embalagem de uma broca multimaterial comum
Ao contrário do que a embalagem genéricamente informa, não se trata de um "aço especial" (materiais especiais não existem), mas sim de uma liga de aço conhecida com "aço rápido".
Neste tópico trazemos algumas outras informações relevantes sobre cerâmicas e vidros!
Abrasivos
Existe uma pluralidade de abrasivos com base em cerâmica utilizados pela indústria na fabricação de estatores de freio, rotores de embreagem para veículos e rotores de corte para ferramentaria manual e industrial.
Imagem 7 - Uma lona de freio de um automóvel e um disco de corte para uma lixadeira manual
Dentre os pós cerâmicos mais utilizados pela indústria estão:
-> Alumína (o mais comum e barato);
-> Zircônia;
-> Carbeto de Silício;
-> Carbeto de Tungstênio.
Comumente, para a aglutinação do pó se utiliza resina plástica termofixa, em geral Polifenol (mais conhecido por nós como Baquelite ou "resina fenólica").
Lembre-se que a mistura de um material polimérico com outro, ou com um produto inorgânico (sejam pós, esferas ou fibras) forma aquilo que chamamos de 'compósito', tal como aquela gambiarra de algodão com Super Bonder que com certeza você já deve ter feito ou visto alguém fazer!
Imagem 8 - No disco da Bosch é ruim de ver, entretanto, está escrito "Composição: Grãos abrasivos, resina fenólica e fibra de vidro"
Como podemos observar, para discos de corte também é comum uma ou duas telas de fibra de vidro. O posicionamento é alternado, assim o material do disco é reforçado.
Imagem 9 - Como é um disco de corte
Na imagem abaixo, podemos notar os fios de fibra de vidro aparecendo:
Imagem 10 - Um disco destes pode atingir 13 mil RPM em pleno funcionamento, o que mostra a resistência mecânica dessa estrutura de plástico, grãos minerais e fibra de vidro
Tais discos passam por forno no processo de fabricação para formar as características mecânicas finais, afinal, sem um "cozimento" seriam apenas discos de plástico reforçado com fibra de vidro portando grãos abrasivos, isto é, com um desempenho inferior e menos resistentes.
Veja esta imagem feita em um microscópio rudimentar:
Imagem 11 - Podemos notar fios de fibra, grãos abrasivos e uma superfície plástica que aglutina tudo
Discos de embreagem e lonas / pastilhas de freio também fazem uso de resina fenólica como aglutinante para pós abrasivos, fibras de reforço e outros elementos responsáveis por melhorar a condução de calor e modificação de atrito, como por exemplo fios de Cobre ou limalhas de Latão. As informações técnicas envolvendo materiais de freio são ainda mais escassas, já que cada fabricante patenteia seus compósitos e possui segredos industriais.
O estator é parte estática de um freio (lonas ou pastilhas). Estes são fixados no backing plate e na sapata, respectivamente. É interessante ressaltar que, backing plate é um denominação também utilizada nos freio a tambor, porém para outro componente. Apesar de não ser um componente tão rígido quanto o rotor, o estator também deve possuir elevada resistência térmica e mecânica, elevada MOT (Maximum Operating Temperature, ou seja, Temperatura Máxima de Operação), para garantir sua integridade e propriedades mesmo quando exposto a elevadas temperaturas.
Contudo, o MOT e a condutividade térmica de um estator não podem ser iguais a do rotor, pois deve se levar em consideração o fato deste componente estar em contato com como sapatas, pistão e, por sua vez, o fluído de travão (produzido com base em glicóis, ou até mesmo silicone). Caso isso ocorra, além de degradar componentes próximos ao freio, pode levar a ebulição do fluído que está na pinça (no caso do freio à discos) ou no cilicndro atuador (no caso do freio à tambor), perdendo eficiência de frenagem e aumentando os riscos de acidentes.
Como pastilhas e lonas são os componentes de manutenção do sistema de freio, estes devem ser menos rígidos que os rotores. Então, é natural que tais componentes sejam mais permissíveis ao desgaste, embora não de maneira exagerada. O contato entre rotor e estator nunca ocorre de maneira uniforme, sendo assim, até certo ponto, pode ser benéfico, pois permite relativa uniformidade na distribuição de pressão de contato. Isso ajuda a evitar diversas situações prejudiciais ao freio, como geração de pontos quentes, vibrações e ruídos.
Em substituição ao amianto moldado em pastilhas e lonas, foram aplicados os materiais NAO (non asbestos organic) e Low Met. O NAO tende a ser mais silencioso, devido ao coeficiente de atrito levemente mais baixo que o Low Met. Além disso, estatores fabricados em NAO não suportam uma temperatura tão elevada, tornando-o uma classe de compósitos de atrito mais voltada ao conforto, enquanto que o Low Met tem um desempenho melhor em termos de eficiência de frenagem. Esses materiais são aplicados largamente, mas o Low Met é mais usado na Europa e América do Sul e o NAO, nos EUA e no Japão.
As fibras conferem conformabilidade ao material. Tal como nos discos de corte apresentados acima, a resistência mecânica é garantida por uma malha de fios, só que no caso de compósitos para sistemas de freio, podemos aplicar lã de aço, Kevlar, Acrílica, de Carbono, vidro, vegetais, Cobre, rocha ou até limalhas de latão.
A estabilidade no coeficiente de atrito é obtida com um material de enchimento (mais conhecido como "carga de enchimento" ou "MD" quando se tratam de compósitos). Os MDs são, em geral, minerais, e que também conferem aumento de vida útil dos estatores. Comumente, a indústria usa Sulfato de Bário (Barita), Carbonato de Cálcio e o Dióxido de Silício (Silica). O primeiro é um material de alta estabilidade térmica, entretanto, alta densidade, desgaste e baixo nível de fricção, tornando-se uma escolha barata. O segundo tem baixa densidade, mas pouca resistência ao calor. Já o terceiro é um abrasivo, o que é bom para conferir um bom coeficiente de atrito, por outra lado aumenta o massa total do compósito.
Os componentes ligantes possuem essa denominação pois são responsáveis por manterem todos os componentes do material de atrito juntos, aglutinados, tornando-o um compósito. Os aglutinantes são responsáveis por 5 a 15% do peso na formulação [2]. De acordo com Iombriller [1] as variações de ligantes mais utilizadas são os fenolformaldeídos. Estas são:
-> Resinas Cresol (O-Cresol, M-Cresol e P-Cresol): Também derivadas de fenóis, são resinas duras, quebradiças, porém capazes de suportar grande estresse térmico;
-> Novolac: É mais um nome para uma classe de resinas fenólicas, contudo, por serem termofixas precisam de um agente de cura para o processo, tal como ocorre com as resinas epoxídicas. O Cresol pode ser usado como agente modificador para o Polifenol.
CURIOSIDADE: Além das resinas derivadas de formaldeidos, existem resinas de materiais alternativos, são estas:
-> Resinas de óleo modificado (de linhaça, de rícino ou de soja): Conferem flexibilidade, altas forças de atrito e reduzem a propensão do sistema ao fading.
-> Resinas de óleo da casca da castanha de caju: Melhoram a eficiência, além de promover uma frenagem mais silenciosa.
-> Resinas fenólicas modificadas por elastômeros: Estas resinas melhoram a flexibilidade do contato e aumentam o coeficientes de atrito.
-> Resinas fenólicas modificadas por óxidos metálicos: Basicamente aumentam a resistência térmica do sistema, logo menor tendência ao fading. Além disso, são capazes de reduzirem os tempos de cura.
-> Resinas fenólicas modificadas por Ácido Bórico: Melhora a resistência térmica e a limitação do desgaste.
Para manter o componente de atrito dentro do limite de temperatura, materiais com propriedades lubrificantes ou abrasivas são adicionados. Algumas literaturas abordam os modificadores de fricção apenas como abrasivos. Estes ajudam a reduzir pontos de alta temperatura devido a esforços prolongados. Para evitar que a superfície de contato tenha excessos de detritos provenientes do deslizamento entre as duas superfícies, utilizam-se materiais que funcionam como lavadores, polindo a superfície de contato do rotor. O uso do abrasivo é moderado, uma vez que não se deseja um atrito exagerado por parte do estator.
CURIOSIDADE: Alguns dos principais componentes utilizados como modificadores de atrito são elastômeros:
-> Borracha Natural (>NR<): Descontinuado devido ao seu alto custo, a propensão ao fade e exalar um forte cheiro quando aquecida, isto pois não aguenta altas temperaturas;
-> Borracha de Estireno Butadieno (>SBR<): Uma borracha desta combinada com resinas fenólicas promove a rigidez, resistência mecânica e ao fading;
-> Borracha de Acrilonitrila Butadieno (>NBR<): Essa pode ser utilizada singularmente ou combinada com resinas fenólicas em guarnições flexiveis. Dos elastômeros é o que oferece melhor resistência ao calor, melhora a eficiência e a compressão contra a superfície do rotor.
Como podemos ver, compósitos para freio possuem um grau de maciez fundamental para não serem apenas "esfoladores" de rotores e proporcionarem uma pressão adequada contra o disco ou tambor. Generalizando o assunto, é comum que bicicletas mais simples possuam um sistema de freio com pastilhas de borracha atritando diretamente na borda do aro da roda. A compressão feita na borracha funciona de forma análoga ao auto-travamento de fixadores com arruelas de plástico ou borracha.
Os componentes que funcionam como modificadores abrasivos são:
-> Óxido de Alumínio (alumina): Trata-se de um material, duro, abrasivo e estável em altas temperaturas. A Alumina em pó é misturada à resina fenólica para pintar a superfície final da pastilha, que com essa camada realiza o polimento e sua moldagem a superfície do disco nos primeiros 100 km de aplicação. Isso ajuda a melhorar a vida útil da pastilha;
-> Óxido de Cromo: Devido ao seu custo proibitivo, é muito pouco usado. Entretanto, esse componente é capaz de conferir um alto coeficiente de atrito;
-> Óxido de Zinco: Esse componente confere ao material de atrito um efeito lubrificante, resistência ao desgaste. Entretanto, em excesso pode desgastar os rotores;
-> Cal: Confere ao material de atrito maior dureza, resistência à ferrugem em pastilhas e lonas contendo palha de aço e partículas de Ferro. Nas resinas de fenolformaldeído é capaz de reduzir a variação do coeficiente de atrito em altas temperaturas, logo reduzindo as possibilidade fading. Além disso, no seu processo produtivo, ajuda a reduzir a dilatação e absorver os gases durante a cura, diminuindo a necessidade de laminações;
-> Óxido de Cobre: Apesar conceder um elevado nível de fricção, não garante à qualidade da superfície do rotor;
-> Óxido de Ferro: São adicionados visando aumentar o nível de fricção e melhorar a estabilidade térmica. Além disso, o óxido de ferro é capaz de mudar a cor do estator;
-> Óxido de Ferro Vermelho (Hematita): Tem poder abrasivo brando, sendo usado com o objetivo de polir a superfície do rotor;
-> Óxido de Ferro preto (Magnetita): Componente adicionado para elevar a fricção do estator quando frio;
-> Óxido de Magnésio: Este componente é adicionado para melhorar a estabilidade térmica das resinas. Quando fundido, aumenta o nível de fricção, pois adquire maior dureza e torna-se menos reativo;
-> Grafite: Tem um leve poder lubrificante, assim reduz o coeficiente de atrito, mas reduz a propensão ao fading;
-> Lascas de latão (62%Cu+38%Zn): Um importante componente que é utilizado no material de atrito. Com apenas 4% em massa na fórmula, já se obtém atributos suficientes para controle do fading. Um percentual maior do que este ajuda a melhorar a condutividade térmica. Dessa forma, o calor gerado na superfície de frenagem se dissipa mais rapidamente para outros componentes, contribuindo para prolongar a vida do material de atrito. Além disso, seu leve poder abrasivo auxilia no polimento do disco, limpando os resíduos que venham a se acumular;
-> Pó de cobre: Adicionar pó de Cobre a fórmula do material de atrito ajuda a melhorar a eficiência de frenagem. Além disso, tem boa condutibilidade térmica. Entretanto, se adicionado em excesso, provoca desgaste repentino;
-> Chumbo: Devido a sua alta densidade, era utilizado para aumentar a massa, além disso mostrou-se capaz de melhorar estabilidade do coeficiente de atrito quando em altas temperaturas. Entretanto, foi descontinuado devido a sua nocividade a saúde Humana e a natureza.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o Cobre o Latão, CLIQUE AQUI!
PRA PENSAR NO CAMINHO DE CASA: Note que o atrito gera o desgaste, isto e, a fragmentação dos materiais, que acabam sendo jogados no ambiente, indo do asfalto pras canaletas de drenagem de água da chuva, desaguando em nascentes, riachos, rios... Todo o pó gerado na decomposição do compósito de freio por atrito é nocivo para a vida aquática, podendo ser muito bem confundido com alimento por peixes e os mais diversos tipos de animais presentes na água, seja ela doce ou salgada. E o sistema de freio é inerente ao automóivel, seja ele elétrico ou à combustão...
CURIOSIDADE: Caso queira se aprofundar mais nas características mecânicas dos materiais discutidos neste tópico, recomendo que CLIQUE AQUI!
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, a publicação original se tornou 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.
FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter
Imagens e gráficos: Leonardo Ritter; 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; Fabricante de componentes eletrônicos Venkel (datasheet de resistores); StringFixer (sobre capacitores cerâmicos e co-queima); carrosinfoco.com (sobre sistemas de freio); Abramax e Heavy Duty (sobre discos de corte); Wikipedia (sobre sinterização, co-queima, óxidos, carbetos e minerais de silica).
Ultima atualização: 18 de Fevereiro de 2024.