Alguns materiais cerâmicos podem suportar temperaturas extremamente altas sem perder resistência. Eles são chamados de materiais refratários. Eles geralmente têm baixa condutividade térmica, por isso são usados ​​como isolantes. Por exemplo, partes de foguetes espaciais são construídas com telhas cerâmicas que protegem a nave das altas temperaturas causadas durante a entrada na atmosfera.

Em geral, os materiais cerâmicos apresentam bom comportamento em altas temperaturas, mas podem sofrer quebras devido ao choque térmico em temperaturas mais baixas.

Talvez surpreendentemente, estes materiais podem ser utilizados a temperaturas onde se liquefazem parcialmente. Por exemplo, tijolos refratários de dióxido de silício (SiO), usados ​​para revestir fornos de fundição de aço, operam em temperaturas acima de 1.650°C (3.002°F), quando alguns dos tijolos começam a se liquefazer. Projetado para essa função, uma situação tranquila requer controle responsável sobre todos os aspectos de construção e uso.

Contenido

Una de las áreas de mayores progresos con la cerámica es su aplicación a situaciones eléctricas, donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades.

Isolamento elétrico e comportamento dielétrico

A maioria dos materiais cerâmicos não são condutores de cargas móveis, portanto não são condutores de eletricidade. Isso ocorre porque as ligações iônicas e covalentes restringem a mobilidade iônica e eletrônica, ou seja, são bons isolantes elétricos. Quando combinado com a força, permite que sejam utilizados na geração e transmissão de energia.

As linhas de alta tensão são geralmente sustentadas por torres de transmissão contendo discos de porcelana, que são isolantes o suficiente para resistir à queda de raios e possuem resistência mecânica adequada para suportar os cabos.

Uma subcategoria de comportamento isolante é dielétrica. Um material dielétrico mantém o campo elétrico através dele, sem induzir perda de energia. Isto é muito importante na construção de capacitores elétricos.

As cerâmicas dielétricas são utilizadas em duas áreas principais: a primeira é a perda progressiva de dieletricidade de alta frequência, utilizada em aplicações como micro-ondas e transmissores de rádio; O segundo são materiais com alta dieletricidade constante (ferroelétrica). Embora os dielétricos cerâmicos sejam inferiores a outras opções para a maioria das finalidades, eles geralmente lidam muito bem com essas duas afirmações.

Supercondutividade

Sob certas condições, como temperaturas extremamente baixas, algumas cerâmicas apresentam supercondutividade. A razão exata para este fenômeno não é conhecida, embora dois conjuntos de cerâmicas supercondutoras sejam diferenciados.

O composto estequimétrico YBaCuO, geralmente abreviado como YBCO ou 123, é particularmente conhecido porque é fácil de fabricar, sua fabricação não requer materiais particularmente perigosos e tem uma temperatura de transição de 90 K (que é superior à temperatura do nitrogênio líquido, 77 K). O x na fórmula refere-se ao fato de que deve ser ligeiramente deficiente em oxigênio, com um x geralmente próximo de 0,3.

O outro conjunto de cerâmicas supercondutoras é o diboreto de magnésio. Suas propriedades não são particularmente notáveis, mas é quimicamente muito diferente de qualquer outro supercondutor, pois não é um complexo de óxido de cobre nem um metal. Devido a esta diferença, espera-se que o estudo deste material leve à internalização do fenômeno da supercondutividade.

Semicondutividade

Existem várias cerâmicas que são semicondutoras. A maioria deles são óxidos de metais de transição que são semicondutores do tipo II-IV, como o óxido de zinco.

A cerâmica semicondutora é usada como sensor de gás. Quando vários gases passam através de uma cerâmica policristalina, sua resistência elétrica muda. Ao ajustar as possíveis misturas de gases, os sensores de gás podem ser construídos sem muito custo.

Ferroeletricidade, piezoeletricidade e piroeletricidade

Um material ferroelétrico é aquele que apresenta espontaneamente uma polarização elétrica cuja direção pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo suficientemente alto (histerese ferroelétrica). Esses materiais apresentam múltiplas propriedades derivadas de sua polarização espontânea, na ausência de campo elétrico externo, e da possibilidade de sua inversão (memórias de computador). A polarização espontânea pode ser modificada por campos elétricos externos (eletrostrição) ou tensões mecânicas (piezoeletricidade) e por variações de temperatura (piroeletricidade). A polarização espontânea e sua capacidade de modificação também são a origem da alta constante dielétrica ou permissividade dos ferroelétricos, que tem aplicação em capacitores.

Um material piezoelétrico é aquele que, por possuir polarização espontânea, gera uma tensão quando aplicada pressão ou, inversamente, deforma-se sob a ação de um campo elétrico. Quando o campo elétrico aplicado é alternado, produz uma vibração piezoelétrica. Esses materiais encontram uma ampla gama de aplicações, principalmente como sensores – para converter movimento em sinal elétrico ou vice-versa. Estão presentes em microfones, geradores de ultrassom e manômetros. Todos os ferroelétricos são piezoelétricos, mas existem muitos piezoelétricos cuja polarização espontânea pode variar, mas não é invertível e, conseqüentemente, não são ferroelétricos.

Um material piroelétrico desenvolve um campo elétrico quando aquecido. Algumas cerâmicas piroelétricas são tão sensíveis que podem detectar mudanças de temperatura causadas pela entrada de uma pessoa em uma sala (aproximadamente 40 microkelvin). Tais dispositivos não podem medir temperaturas absolutas, mas sim variações de temperatura e são usados ​​em visão noturna e detectores de movimento.

Las cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrio es formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado, laminado, estirado, colado o flotado y galvanizado.

Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango de procesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de dos categorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o por formación de polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un cuerpo sólido. Algunos métodos usados son un híbrido de los dos métodos mencionados.

Fabricação no local

O uso mais comum deste método é na produção de cimento e concreto. Aqui, os abrasivos desidratados são misturados com água. Isso inicia reações de hidratação, que resultam na formação de grandes cristais interconectados ao redor dos agregados. Com o tempo, isso resulta em uma cerâmica sólida.

O maior problema desse método é que a maioria das reações é tão rápida que não é possível misturar bem, o que tende a impedir construções em larga escala. Porém, sistemas de pequena escala podem ser feitos utilizando técnicas de deposição, onde os diferentes materiais são introduzidos sobre um substrato, onde ocorre a reação e a cerâmica é formada sobre este substrato.

Modelagem de pó

O principal objetivo da conformação é dar forma e consistência à massa de pós que leve ao aumento da densidade e, portanto, à melhoria das propriedades mecânicas.

Existem duas formas de realizar a conformação: aplicando pressão e altas temperaturas. Com a aplicação de pressão e temperatura, o processo é semelhante a se não aplicássemos altas temperaturas, mas obtemos produtos mais densos e homogêneos, economizando matéria-prima.

Métodos baseados em sinterização

Os princípios dos métodos baseados na sinterização são simples: Uma vez acondicionada a matéria-prima para o processamento (cozimento), ela é introduzida no forno, assim o processo de difusão “Difusão (física)”) compacta a matéria-prima.

Os poros são menores, resultando em um produto mais denso e resistente. A queima é feita a uma temperatura inferior ao ponto de fusão da cerâmica. Sempre permanece alguma porosidade, mas a verdadeira vantagem deste método é que o lote pode ser produzido de qualquer forma imaginável, podendo até ser sinterizado. Isso o torna uma rota muito versátil.

Existem milhares de refinamentos possíveis neste processo. Algumas das mais comuns envolvem a prensagem do lote para dar-lhe densidade, a queima reduz o tempo de sinterização necessário. Às vezes, são adicionados elementos orgânicos ao lote, que são dissolvidos durante a queima.

Às vezes, lubrificantes orgânicos são adicionados durante o processo para aumentar a densidade. Não é incomum combiná-los, adicionando matéria orgânica e lubrificantes a um lote e depois pressionando. (a formulação destes aditivos químicos orgânicos é uma arte em si). Isto é particularmente importante na fabricação de cerâmicas de alto desempenho, como aquelas utilizadas em eletrônica, em capacitores, indutores, sensores, etc.

Uma mistura de componentes pode ser feita em vez de usar um único pó e depois despejada no molde desejado, deixada secar e depois sinterizada. Na verdade, na cerâmica tradicional é feito desta forma, com uma mistura de plástico que se trabalha à mão.

Se uma mistura de diferentes materiais componentes for usada em uma cerâmica, às vezes a temperatura de sinterização é superior à temperatura de fusão de alguns de seus componentes (fase de sinterização líquida). Isso resulta em um período de sinterização mais curto em comparação com a sinterização no estado sólido.

Algumas décadas atrás, a Toyota investigou a produção de um motor cerâmico que pode operar em temperaturas acima de 3.300 °C (5.972 °F). Os motores cerâmicos não necessitam de sistemas de ventilação e por isso permitem uma maior redução de peso, e com isso, maior eficiência no uso de combustível. A eficiência de combustível de um motor também é maior em temperaturas mais altas. Num motor metálico convencional, grande parte da energia gerada pela combustão deve ser desperdiçada como calor para evitar o derretimento das peças metálicas.

Apesar de todas essas propriedades desejáveis, tais motores não estão em produção porque a fabricação de peças cerâmicas é muito difícil. Imperfeições na cerâmica levam a rachaduras e quebras. Esses motores são viáveis ​​em pesquisa de laboratório, mas as atuais dificuldades de fabricação impedem sua produção em massa.

Alguns materiais cerâmicos podem suportar temperaturas extremamente altas sem perder resistência. Eles são chamados de materiais refratários. Eles geralmente têm baixa condutividade térmica, por isso são usados ​​como isolantes. Por exemplo, partes de foguetes espaciais são construídas com telhas cerâmicas que protegem a nave das altas temperaturas causadas durante a entrada na atmosfera.

Em geral, os materiais cerâmicos apresentam bom comportamento em altas temperaturas, mas podem sofrer quebras devido ao choque térmico em temperaturas mais baixas.

Talvez surpreendentemente, estes materiais podem ser utilizados a temperaturas onde se liquefazem parcialmente. Por exemplo, tijolos refratários de dióxido de silício (SiO), usados ​​para revestir fornos de fundição de aço, operam em temperaturas acima de 1.650°C (3.002°F), quando alguns dos tijolos começam a se liquefazer. Projetado para essa função, uma situação tranquila requer controle responsável sobre todos os aspectos de construção e uso.

Contenido

Una de las áreas de mayores progresos con la cerámica es su aplicación a situaciones eléctricas, donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades.

Isolamento elétrico e comportamento dielétrico

A maioria dos materiais cerâmicos não são condutores de cargas móveis, portanto não são condutores de eletricidade. Isso ocorre porque as ligações iônicas e covalentes restringem a mobilidade iônica e eletrônica, ou seja, são bons isolantes elétricos. Quando combinado com a força, permite que sejam utilizados na geração e transmissão de energia.

As linhas de alta tensão são geralmente sustentadas por torres de transmissão contendo discos de porcelana, que são isolantes o suficiente para resistir à queda de raios e possuem resistência mecânica adequada para suportar os cabos.

Uma subcategoria de comportamento isolante é dielétrica. Um material dielétrico mantém o campo elétrico através dele, sem induzir perda de energia. Isto é muito importante na construção de capacitores elétricos.

As cerâmicas dielétricas são utilizadas em duas áreas principais: a primeira é a perda progressiva de dieletricidade de alta frequência, utilizada em aplicações como micro-ondas e transmissores de rádio; O segundo são materiais com alta dieletricidade constante (ferroelétrica). Embora os dielétricos cerâmicos sejam inferiores a outras opções para a maioria das finalidades, eles geralmente lidam muito bem com essas duas afirmações.

Supercondutividade

Sob certas condições, como temperaturas extremamente baixas, algumas cerâmicas apresentam supercondutividade. A razão exata para este fenômeno não é conhecida, embora dois conjuntos de cerâmicas supercondutoras sejam diferenciados.

O composto estequimétrico YBaCuO, geralmente abreviado como YBCO ou 123, é particularmente conhecido porque é fácil de fabricar, sua fabricação não requer materiais particularmente perigosos e tem uma temperatura de transição de 90 K (que é superior à temperatura do nitrogênio líquido, 77 K). O x na fórmula refere-se ao fato de que deve ser ligeiramente deficiente em oxigênio, com um x geralmente próximo de 0,3.

O outro conjunto de cerâmicas supercondutoras é o diboreto de magnésio. Suas propriedades não são particularmente notáveis, mas é quimicamente muito diferente de qualquer outro supercondutor, pois não é um complexo de óxido de cobre nem um metal. Devido a esta diferença, espera-se que o estudo deste material leve à internalização do fenômeno da supercondutividade.

Semicondutividade

Existem várias cerâmicas que são semicondutoras. A maioria deles são óxidos de metais de transição que são semicondutores do tipo II-IV, como o óxido de zinco.

A cerâmica semicondutora é usada como sensor de gás. Quando vários gases passam através de uma cerâmica policristalina, sua resistência elétrica muda. Ao ajustar as possíveis misturas de gases, os sensores de gás podem ser construídos sem muito custo.

Ferroeletricidade, piezoeletricidade e piroeletricidade

Um material ferroelétrico é aquele que apresenta espontaneamente uma polarização elétrica cuja direção pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo suficientemente alto (histerese ferroelétrica). Esses materiais apresentam múltiplas propriedades derivadas de sua polarização espontânea, na ausência de campo elétrico externo, e da possibilidade de sua inversão (memórias de computador). A polarização espontânea pode ser modificada por campos elétricos externos (eletrostrição) ou tensões mecânicas (piezoeletricidade) e por variações de temperatura (piroeletricidade). A polarização espontânea e sua capacidade de modificação também são a origem da alta constante dielétrica ou permissividade dos ferroelétricos, que tem aplicação em capacitores.

Um material piezoelétrico é aquele que, por possuir polarização espontânea, gera uma tensão quando aplicada pressão ou, inversamente, deforma-se sob a ação de um campo elétrico. Quando o campo elétrico aplicado é alternado, produz uma vibração piezoelétrica. Esses materiais encontram uma ampla gama de aplicações, principalmente como sensores – para converter movimento em sinal elétrico ou vice-versa. Estão presentes em microfones, geradores de ultrassom e manômetros. Todos os ferroelétricos são piezoelétricos, mas existem muitos piezoelétricos cuja polarização espontânea pode variar, mas não é invertível e, conseqüentemente, não são ferroelétricos.

Um material piroelétrico desenvolve um campo elétrico quando aquecido. Algumas cerâmicas piroelétricas são tão sensíveis que podem detectar mudanças de temperatura causadas pela entrada de uma pessoa em uma sala (aproximadamente 40 microkelvin). Tais dispositivos não podem medir temperaturas absolutas, mas sim variações de temperatura e são usados ​​em visão noturna e detectores de movimento.

Las cerámicas no cristalinas (vidriosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrio es formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado, laminado, estirado, colado o flotado y galvanizado.

Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango de procesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de dos categorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o por formación de polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un cuerpo sólido. Algunos métodos usados son un híbrido de los dos métodos mencionados.

Fabricação no local

O uso mais comum deste método é na produção de cimento e concreto. Aqui, os abrasivos desidratados são misturados com água. Isso inicia reações de hidratação, que resultam na formação de grandes cristais interconectados ao redor dos agregados. Com o tempo, isso resulta em uma cerâmica sólida.

O maior problema desse método é que a maioria das reações é tão rápida que não é possível misturar bem, o que tende a impedir construções em larga escala. Porém, sistemas de pequena escala podem ser feitos utilizando técnicas de deposição, onde os diferentes materiais são introduzidos sobre um substrato, onde ocorre a reação e a cerâmica é formada sobre este substrato.

Modelagem de pó

O principal objetivo da conformação é dar forma e consistência à massa de pós que leve ao aumento da densidade e, portanto, à melhoria das propriedades mecânicas.

Existem duas formas de realizar a conformação: aplicando pressão e altas temperaturas. Com a aplicação de pressão e temperatura, o processo é semelhante a se não aplicássemos altas temperaturas, mas obtemos produtos mais densos e homogêneos, economizando matéria-prima.

Métodos baseados em sinterização

Os princípios dos métodos baseados na sinterização são simples: Uma vez acondicionada a matéria-prima para o processamento (cozimento), ela é introduzida no forno, assim o processo de difusão “Difusão (física)”) compacta a matéria-prima.

Os poros são menores, resultando em um produto mais denso e resistente. A queima é feita a uma temperatura inferior ao ponto de fusão da cerâmica. Sempre permanece alguma porosidade, mas a verdadeira vantagem deste método é que o lote pode ser produzido de qualquer forma imaginável, podendo até ser sinterizado. Isso o torna uma rota muito versátil.

Existem milhares de refinamentos possíveis neste processo. Algumas das mais comuns envolvem a prensagem do lote para dar-lhe densidade, a queima reduz o tempo de sinterização necessário. Às vezes, são adicionados elementos orgânicos ao lote, que são dissolvidos durante a queima.

Às vezes, lubrificantes orgânicos são adicionados durante o processo para aumentar a densidade. Não é incomum combiná-los, adicionando matéria orgânica e lubrificantes a um lote e depois pressionando. (a formulação destes aditivos químicos orgânicos é uma arte em si). Isto é particularmente importante na fabricação de cerâmicas de alto desempenho, como aquelas utilizadas em eletrônica, em capacitores, indutores, sensores, etc.

Uma mistura de componentes pode ser feita em vez de usar um único pó e depois despejada no molde desejado, deixada secar e depois sinterizada. Na verdade, na cerâmica tradicional é feito desta forma, com uma mistura de plástico que se trabalha à mão.

Se uma mistura de diferentes materiais componentes for usada em uma cerâmica, às vezes a temperatura de sinterização é superior à temperatura de fusão de alguns de seus componentes (fase de sinterização líquida). Isso resulta em um período de sinterização mais curto em comparação com a sinterização no estado sólido.

Algumas décadas atrás, a Toyota investigou a produção de um motor cerâmico que pode operar em temperaturas acima de 3.300 °C (5.972 °F). Os motores cerâmicos não necessitam de sistemas de ventilação e por isso permitem uma maior redução de peso, e com isso, maior eficiência no uso de combustível. A eficiência de combustível de um motor também é maior em temperaturas mais altas. Num motor metálico convencional, grande parte da energia gerada pela combustão deve ser desperdiçada como calor para evitar o derretimento das peças metálicas.

Apesar de todas essas propriedades desejáveis, tais motores não estão em produção porque a fabricação de peças cerâmicas é muito difícil. Imperfeições na cerâmica levam a rachaduras e quebras. Esses motores são viáveis ​​em pesquisa de laboratório, mas as atuais dificuldades de fabricação impedem sua produção em massa.