Propriedades estruturais e de formação da cerâmica

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Propriedades estruturais e de formação da cerâmica
Alexandre Augusto Fiedler Fonçatti
I. INTRODUÇÃO
Ao olhar para qualquer estudo sobre a ciências dos matérias poderemos averiguar uma classificação distinta em 5 categorias básicas de materiais: metais, polímeros, cerâmicas, semicondutores e materiais compostos. Aonde os três primeiros têm como principal diferença a natureza de suas ligações intermoleculares, o seguinte pela sua condutividade e o ultimo por sua estrutura.
Os metais são materiais mais puros que consistem de átomos agrupados pela força de elétrons deslocados. É um material fundamental em vários equipamentos e suas ligas aumentam ainda mais suas capacidades de utilização. Alguns metais comercializados possuem cerâmicas em sua composição. A exemplo disso temos os carbonetos (ex. FE3C e W6C) que tem uma maior dureza, além de aumentar a resistência a desgaste, mas isso implica em uma maior fragilidade.
Os polímeros são macromoléculas formadas por ligações covalentes entre moléculas mais simples. Muitos polímeros são compostos orgânicos a base de carbono, hidrogênio e outros não metais como o enxofre e cloro. A ligação entre as cadeias de moléculas determina muitas de suas propriedades. 
A classe dos semicondutores é a única classe de material que se baseia em uma propriedade. Eles estão geralmente definidos entre bons condutores e isoladores. 
As cerâmicas são normalmente tidas como ligações “mistas”, uma combinação de ligações covalentes, iônicas e, algumas vezes, metálicas. Elas consistem de matrizes de átomos interconectados (sem moléculas discretas). Essa característica distingue as cerâmicas de sólidos moleculares como, por exemplo, os cristais de iodo (composto de moléculas de I2) ou a cera de parafina (composto de cadeias longas e alcalinas). A maioria das cerâmicas são compostas de metais e ligas metálicas com elementos não metais. Sendo na maioria das vezes óxidos, nitratos e carbonetos. Contudo também classificamos diamante e grafite como cerâmicas.
A definição mais amplamente aceita de cerâmica foi dada por Kingery et al. (1976): “uma cerâmica é um solido não metal e inorgânico.” Por definição, um material deixa de ser cerâmica quando é derretido. Já no outro extremo, caso resfriado bastante, uma cerâmica se torna um super condutor. 
Entretanto não é possível definir a cerâmica, ou qualquer outro material, vendo apenas uma propriedade especifica. Neste trabalho analisaremos as propriedade estruturais e de formação da cerâmica, colocando em foco uma comparação entre a cerâmica tradicional e a avançada.
II. CERAMICAS
Hoje em dia a maior parte das matérias-primas utilizadas na indústria da cerâmica tradicional vem de origem natural, e encontra-se em depósitos pela crosta terrestre. Após serem minerados os matérias devem ser beneficiados (degradados ou moídos), classificados de acordo com sua granulometria, e muitas vezes purificados. Já as matérias sintéticas são fornecidas prontas para o uso, e apenas necessitam, as vezes, de um ajuste em sua granulometria.
Em princípio a cerâmica avançada engloba uma classe de "novas" cerâmicas, onde as matérias primas são artificiais, há um grande controle do processo um forte controle da microestrutura. 
O aprofundamento dos conhecimentos da ciência dos materiais proporcionou ao homem o desenvolvimento de novas tecnologias e aprimoramento das existentes nas mais diferentes áreas, que passaram a exigir materiais com qualidade excepcionalmente elevada. Tais materiais passaram a ser desenvolvidos a partir de matérias-primas sintéticas de altíssima pureza e por meio de processos rigorosamente controlados. Esses produtos, que podem apresentar os mais diferentes formatos, são fabricados pelo chamado segmento cerâmico de alta tecnologia ou cerâmica avançada. Eles são classificados, de acordo com suas funções, em: eletroeletrônicos, magnéticos, ópticos, químicos, térmicos, mecânicos, biológicos e nucleares.
III. CERÂMICA TRADICIONAL
III.i. Propriedades
As propriedades que mais se destacam nos materiais cerâmicos são: resistência elétrica e térmica; fácil modelagem; baixa perda dielétrica; baixo coeficiente de expansão térmica; ótima resistência a choques térmicos; alta porosidade; boa flexibilidade.
 As propriedades dos materiais cerâmicos dependem da quantidade e do arranjo de três fases: Cristalina, Vítrea e Porosa. 
A “Fase Cristalina”, que pode ser uma ou mais de uma, é o modo como os átomos, moléculas e íons se organizam dentro de um material de maneira fixa, regular e repetitiva, sendo responsável pela estabilidade e pela densidade do material, estando presente nos minerais naturais. Nos produtos cerâmicos, as reações ocorridas durante a queima destroem as estruturas cristalinas naturais e reagrupam essas estruturas, formando novas, que são responsáveis pelo desempenho do produto; 
A “Fase Vítrea” dá certas características e propriedades ao corpo cerâmico, funcionando semelhantemente ao cimento na elaboração do concreto (da construção civil), agindo como ligante das fases cristalinas sólidas. Ela confere resistência mecânica à peça quando em temperatura ambiente, promovendo também a translucidez, e aumentando a tendência à deformação quando o produto é exposto a altas temperaturas, sendo, isso, extremamente indesejável nos produtos refratários. Nas cerâmicas avançadas para ferramentas de corte, as fases vítreas causam a diminuição da dureza, que é uma ropriedade fundamental para essa aplicação; 
A “Fase Porosa” é o espaço vazio entre os grãos sólidos, ou dentro dos grãos sólidos, que formam o material cerâmico. Essa fase pode ser aberta, quando deixa um caminho aberto até a superfície e permite a absorção de água e gases, ou fechada, quando está dentro de um grão ou cercada de grãos por todos os lados, sendo que o ar preso impede a passagem do calor (isolante térmico).
III.ii. Matérias-primas
As matérias-primas empregadas na fabricação de produtos cerâmicos são classificadas em naturais e sintéticas: Naturais: São aquelas utilizadas como extraídas da natureza ou que foram submetidas a algum tratamento físico para eliminação de impurezas indesejáveis, ou seja sem alterar a composição química e mineralógica dos componentes principais. Sintéticas: são aquelas que individualmente ou em mistura foram submetidas a um tratamento térmico, que pode ser calcinação, sinterização, fusão e fusão/redução e as produzidas por processos químicos. Fritas e Corantes: Estes dois produtos são importantes matérias-primas para diversos segmentos cerâmicos que requerem determinados acabamentos. Frita (ou vidrado fritado) é um vidro moído, fabricado por indústrias especializadas a partir da fusão da mistura de diferentes matérias-primas. É aplicado na superfície do corpo cerâmico que, após a queima, adquire aspecto vítreo. Este acabamento tem por finalidade aprimorar a estética, tornar a peça impermeável, aumentar a resistência mecânica e melhorar ou proporcionar outras características. Corantes constituem-se de óxidos puros ou pigmentos inorgânicos sintéticos obtidos a partir da mistura de óxidos ou de seus compostos. Os pigmentos são fabricados por empresas especializadas, inclusive por muitas das que produzem fritas, cuja obtenção envolve a mistura das matérias-primas, calcinação e moagem. Os corantes são adicionados aos esmaltes (vidrados) ou aos corpos cerâmicos para conferir-lhes colorações das mais diversas tonalidades e efeitos especiais. 
III.iii. Aplicações Cerâmicas
Atualmente os materiais cerâmicos são aplicados em: indústrias petrolíferas, selos e buchas, indústrias químicas, eletrônicas e alimentícias, eixos e componentes, maquinários, separadores e hidrociclones, agricultura e irrigação, telecomunicação, entre outras. Algumas das principais aplicações encontram-se relacionadas a seguir:
-Cerâmica para Resistores: Resistores são componentes que fornecem uma resistência pré-determinada. Eles são constituídos por um pequeno cilindro de cerâmica em torno do qual é colocada uma fina camada decarvão, grafite ou uma mistura de carvão e boro. Nas extremidades do cilindro são colocados terminais de fio de cobre estanhado e então o resistor é coberto de uma camada protetora de esmalte especial. A qualidade de um resistor é decididamente influenciada pelas propriedades mecânicas, térmicas e elétricas do corpo cerâmico do mesmo. Uma superfície consistente e bem definida é muito importante para a estabilidade do resistor. Equipamentos especiais processos produtivos ultramodernos combinados com procedimentos sofisticados de controle de qualidade nos permite produzir corpos de resistores em grande quantidade, com tolerâncias apuradas, superfície exatamente definida e qualidade consistente.
-Cerâmica Estrutural: As cerâmicas estruturais podem apresentar diversas propriedades dependendo da composição química da mesma. Perfeita para aplicações em ambientes altamente corrosivos/abrasivos, onde temos alta temperatura e necessidade de alta resistência mecânica. Excelente em trabalhos com baixa tolerância dimensional e superfície limpa.
-Piezocerâmicas: Instrumentos piezocerâmicos convertem propriedades mecânicas como pressão e aceleração em voltagem elétrica ou voltagem elétrica em movimentos mecânicos ou oscilação. O material piezocerâmico e classificado de acordo com sua composição química bem como com sua aplicação específica.
-Aplicações típicas (específicas): Limpeza por ultra-som; tecnologia sonar, sensores, materiais de teste, diagnósticos e tratamentos médicos, perfuração e solda ultrasônica, atuadores, controles inteligentes de engenharia, dispositivos de ignição gasosa, transmissores e receptores de sinais, etc
-Abrasivos: Parte da indústria de abrasivos, por utilizarem matérias-primas e processos semelhantes aos da cerâmica, constituem-se num segmento cerâmico. Entre os produtos mais conhecidos podemos citar o óxido de alumínio eletrofundido e o carbeto de silício.
-Vidro, Cimento e Cal: São três importantes segmentos cerâmicos e que, por suas particularidades, são muitas vezes considerados à parte da cerâmica.
IV. CERÂMICA AVANÇADA
Cerâmicas obtidas a partir dos óxidos de zinco, cobalto, bismuto, antimônio, cromo, manganês, tungstênio, molibdênio, vanádio, buscando aplicações especiais das cerâmicas, no campo da eletro-eletrônica, supercondutores, varistores, fibras cerâmicas, cerâmicas ferroelétricas e ferromagnéticas, pyroceram ( hibrido de vidro e cerâmica), cerâmica nuclear. etc. 
Utilizando-se de materiais com pureza superior a 99%, procede-se a mistura dos óxidos e sua moagem em moinho de bolas, apenas com a exceção de se utilizar álcool etílico ou outros como fase líquida durante a moagem, em substituição a água.
Sistemas especiais de moldagem, nos quais sucessivas sinterizações (queimas) e moagens acontecem, após isso, estas cerâmicas são moldadas também por meio de prensagem, barbotina, ou ainda em processos tradicionais de extrusão. 
Atualmente têm-se desenvolvido cerâmicas de nitreto de alumínio (AlN), que processada convenientemente atinge elevadas condutividades térmicas. Existem estudos de parâmetros de processamento e aditivos para diminuir a temperatura de sinterização (queima) deste material. Assim como alguns motores adiabáticos produzidos com materiais cerâmicos, que operam em temperaturas elevadas e tem elevada eficiência. Outro exemplo seria um protótipo de uma turbina para usina termoelétrica que envolve diversas cerâmicas para aplicações críticas.
É importante salientar que o desenvolvimento de cerâmicas de alta resistência tem o foco de melhorar a tenacidade à fratura, uma vez que esta propriedade está relacionada com a fragilidade do material, e é ela que tem forte influência em várias propriedades mecânicas, como a resistência ao choque térmico. 
A cerâmica avançada, para atingir as elevadas propriedades a qual destina, é processada com matérias-primas sintéticas e relativamente caras. Os equipamentos de processo também são mais sofisticados e trabalham em condições mais críticas do que as com cerâmica tradicional, como altas temperaturas. Assim, existe um maior custo envolvido para produção destes materiais, entretanto o valor agregado deles é muito superior ao da cerâmica tradicional. Por outro lado, custo depende muito da escala de produção.
IV.i. Propriedades
As propriedades das cerâmicas especiais, bem como dos demais materiais, são fundamentalmente influenciadas pela qualidade das matérias primas a partir das quais as mesmas são fabricadas e pela microestrutura final. Assim sendo, qualquer tentativa de controle das propriedades de um produto deve passar pelo entendimento das propriedades básicas dos materiais, bem como pelo processo de fabricação durante o qual a microestrutura final se desenvolve.
IV.ii. Fabricação
O processo geral de fabricação das cerâmicas avançadas pode ser esquematizado, conforme figura 1.
Figura 1. Processo geral de fabricação de cerâmicas.
O papel de cada uma dessas etapas e a inter-relação entre elas no desenvolvimento da microestrutura responsável pelas propriedades finais do material tem sido objeto de intensos estudos. Neste sentido, novos processos de obtenção de pós, conformação e sinterização, bem como novas técnicas de caracterização das propriedades, vem sendo bastante estudados, tanto sob o ponto de vista científico quanto tecnológico. Os produtos classificados como sendo “cerâmicas especiais” são elaborados em sua grande maioria a partir de insumos que necessitam de um rigoroso controle, tanto no processo de obtenção do pó, para garantir características importantes (pureza e granulometria), quanto durante a conformação e tratamento térmico destes insumos em peças e produtos finais (sinterização). Os materiais são elaborados visando a obtenção de propriedades que atendam a usos específicos.
O sucesso e a comercialização das cerâmicas especiais de alto desempenho, dependem basicamente de dois fatores: a qualidade e baixo custo dos insumos (pós, aditivos, etc.), e o aperfeiçoamento dos métodos de processamento. A capacidade de se encontrar formas eficientes de produção de materiais resistentes, especialmente de formas complexas e com seções espessas, é essencial para atender à demanda, o mercado e a diversidade de produtos demandados.
IV.iii. Aplicações
A seguir são listadas algumas cerâmicas avançadas e suas aplicações:
• Nitrato de silicone (silicone3N4), que é usado como um pó abrasivo.
• Carbonato do boro (B4C), que é usado em no tanque de combustível de helicópteros;
• Carbonato do silicone (SiC), que é usado como um succeptor em fornalhas da microonda, um abrasivo geralmente usado, e como um material refratário.
• Diborato do magnésio (MgB2), que é um superconductor unconventional.
• Óxido de Zinco (ZnO), que é um semicondutor, e usado na construção dos varistores.
• Óxido de Ferro (Fe3O4), que é ferromagnetico e é usado no núcleo de transformadores elétricos e de memória de núcleo magnético.
• O steatite é usado como um isolador elétrico.
• Tijolos (na maior parte silicatos do alumínio), usados para a construção. 
• Óxido de urânio (UO2), usado como o combustível em reatores nucleares.
• Óxido de cobre do bário do yttrium (cu3O7x)de YBa2, um supercondutor de alta temperatura.
IV.iv. Comparações
	
	Tradiconal
	Avançada
	Mat. Primas
	Naturais
Minerais
Industriais (+98% de pureza)
	Produtos Químicos
Industriais (+98% de pureza)
	Estrutura
	Não uniforme
Porosa
	Homogênea
Pouco Porosa
	Propriedades
	Mecânica
Estética
	Elétrica
Magnética
Nuclear
Ótica
Mecânica
Térmica
Química
	Processamento
	Olaria
Colagem
Prensagem
Extrusão
Queima
	Prensagem
Isostática
Moldagem
Por injeção
Sinterização
Por reação
	Aplicações
	Construção
Produtos domésticos
	Eletrônica
Estrutural
Química
Refratários
Figura 2 - Comparação entre cerâmicas tradicionais e avançadas.
Livros:
Manual de equipamentos eletricos 2 ed. 1994
Advanced ceramics c1995 x Referência Kirsch,
ManfredCerâmica
Técnica Norton, F. H Cerámica fina 3. ed.- 1988 .
Sites:
www2.engquim.ufpr.br/~gazda
www.abimaq.org.br;
http://www.techmat.com.br/materiais
http://www.scielo.br/pdf/ce/v49n310/a0749310.pdf