STRUCTURALCERAMICS

Prévia do material em texto

2. CERÂMICAS ESTRUTURAIS: QUESTÕES E RESPOSTAS
Fonte: 
2. Structural Ceramics: Questions and Answers, p. 43-73, in: Introduction to Fine Ceramics, Edited by Noboru Ichinose, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore, 1987.
	O capítulo 2 trata das cerâmicas estruturais. Primeiro, os tipos de cerâmicas de óxido e não-óxido, e suas características são explicadas. A seguir, alumina (Al2O3) e zircônia (ZrO2), que são representativas das cerâmicas de óxidos, são consideradas. Nitretos e carbetos são o núcleo das cerâmicas de não-óxidos, de modo que nitreto de silício (Si3N4), nitreto de alumínio (AlN), nitrreto de boro (BN) e carbeto de silício (SiC), todos os quais são comumente discutidos, são considerados. Finalmente, as cerâmicas usadas em sistemas de combustível nuclear são consideradas.
2.1 – COMO AS CERÂMICAS DE ÓXIDOS SÃO CLASSIFICADAS COMO MATERIAIS ESTRUTURAIS? QUAIS SÃO AS SUAS CARACTERÍSTICAS
	Antes de ser desenvolvida como produtos de alto desempenho, cerâmicas eram bem conhecidas como os produtos de fabricação de tijolos, de fabricação de vidros e de olaria. Depois de tudo, olaria, porcelana, vidro e cimento, que são casualmente encontradas todos os dias, podem ser chamadas de cerâmicas estruturais aqui. Estas são chamadas cerâmicas tradicionais, e elas têm uma longa história. Portanto, embora as matérias-primas a partir das quais seus constituintes são feitos sejam materiais naturais tais como argila, ou materiais trabalhados à mão não tão estritamente controlados, elas encontram o seu propósito funcional, e se pode grosseiramente entender o processo. Naturalmente vidro, cimento, refratários, etc. não são produzidos atualmente por tais métodos simples, e como um resultado de controle técnico a partir das matérias-primas até os produtos finais eles se tornaram a base da indústria moderna.
	O que pode ser dito sobre características gerais? Um esboço breve se segue. Primeiro, estes materiais são compostos grandemente de elementos tais como Si, Al, Mg, Ca, N, etc.., e naturalmente O porque eles são óxidos; portanto, eles são encontrados em grandes quantidades na terra. Este ponto é muito importante. Grandes quantidades de cimento e vidro são usados para as construções civis e de estradas, mas quando se percebe que existe um suprimento quase inesgotável, seu consumo continuado pode ser entendido.De vez que a sua história é longa, eles são produtos de um campo com grande nível de grande realizações técnicas. Isto é o mesmo que dizer que não seria um erro reconhecer que estes produtos japoneses se encontra no mais alto nível em termos mundiais. Recentemente (referência a 1987), japoneses estiveram propensos a ficar deslumbrados por campos que apresentam novos desafios técnicos, mas a importância destes campos estabelecidos há longo tempo pode ser muito maior. 
Figura 2.1 – Cerâmicas estruturais de óxidos.
Figura 2.2 – Classificações de cerâmicas estruturais de óxidos.
	Em cerâmica de barro ("pottery") e porcelanas foram introduzidas recentemente muitas variedades e as composições se tornaram complexas. Mas o princípio básico é o de que à medida em que a temperatura de queima sobe, elas se tornam mais densas, mais duras e mais transparentes. Temperaturas de queima usualmente vão desde cerca de 900oC até 1500oC. Também, a tendência geral é para as cores inerentes desaparecerem. 
	Refratários, que são usados em processos industriais de alta temperatura, se fundem em altas temperaturas e não muda facilmente de forma. Eles são usados em fornos elétricos e em vários outros tipos de fornos, mas quando usados suas resistências térmicas devem ser cuidadosamente analisadas. Naturalmente, a atmosfera dentro do forno controla sua vida em serviço. Correspondentemente, existem várias bases para a classificação, incluindo as propriedades químicas, resistência térmica, uso, forma, etc.
	Vidro é amorfo; isto é, em termos gerais, ele é um sólido não cristalino no qual a configuração molecular não tem uma ordem fixa. Classificações cobrem muitos campos, e dependendo dos constituintes, propriedades e usos, existe uma nomenclatura complicada. Mas as mesmas categorias representativas mencionadas acima e muitas outras se aplicam.
	A característica fundamental de cimento é que ele se solidifica em temperaturas padrões por meio de reação com água. De novo existem vários tipos com vários usos. Como indicado acima, a fim de obter resultados satisfatórios a partir do uso destes muitos tipos e funções, consideração cuidadosa é necessária. 
	Como mencionado acima, os materiais básicos empregados em engenharia civil e usados em fornos, o que pode ser chamado de materiais estruturais, afetam a vida diária em maneiras que não chamam atenção a eles em si. Naturalmente, inovações técnicas recentes se estendem a estes campos. E uma vez que estes campos envolvem processos de alta temperatura que consomem energia, o desenvolvimento avançado de conservação de energia em processos de produção é praticamente chocante. 
2.2 – COMO AS CERÂMICAS DE NÃO-ÓXIDOS SÃO CLASSIFICADAS COMO MATERIAIS ESTRUTURAIS? QUAIS SÃO AS SUAS CARACTERÍSTICAS.
	Cerâmicas de não-óxidos é um termo geral para cerâmicas feitas com carbetos metálicos, nitretos metálicos, sulfetos metálicos, silicetos metálicos, boretos metálicos, etc. Nos anos recentes, as características requeridas de materiais cobrem uma larga faixa. No campo de materiais estruturais, especialmente na área de materiais estruturais resistentes ao calor e de alta temperatura, as condições do usuário são tais que as cerâmicas de óxidos existentes não suportarão. Mas há esperança de que materiais se tornaram mais e mais resistentes. Também, esta é a orientação na qual os materiais-chaves para um novo avanço técnico se situam. Este capítulo está limitado a materiais estruturais, mas não-óxidos são especialmente atraentes como materiais com novas funções.
Figura 2.3 – Comparação de resistência mecânica em alta temperatura de cerâmicas de não-óxidos e outros materiais. 
	A questão é, "Que tipos de novos materiais estruturais podem ser esperados?" e os principais ítens na lista teriam as características de leveza e resistência à deformação mesmo em altas temperaturas, e resistência ao desgaste e à corrosão. Também a disponibilidade de recursos abundantes e baratos é uma condição que não deveria ser menosprezada. A retaguarda destes condições é uma série de necessidades sociais tais como a conservação dos recursos naturais e de energia, progresso em direção da alta eficiência de máquinas térmicas, e os limites para substituições de recursos escassos (e busca para tal fim). Carbetos e nitretos são as cerâmicas de não-óxido mais proeminentes, e porque o grau de covalência em suas ligações é grande, se pode prever que elas mostrarão uma forte resistência à deformação. Pensa-se que tanto o SiC quanto o Si3N4 satisfazem às condições necessárias notadas acima. Estudo mundial destes materiais se iniciaram entre 1970 e 1972. 
Figura 2.4 – Classificação de cerâmicas de não-óxidos. 
	Entretanto, é difícil chegar a algo que possa ser considerado como um material industrial por meio da mera extensão da engenharia dos materiais existentes, e é natural que novas tarefas de engenharia serão produzidas. Uma explicação um a um destes materiais será encontrada nas separadas seções que se seguem, mas brevemente, um problema que eles têm em comum pode ser enunciado como "o progresso da confiabilidade de cerâmicas". Avanços em processos e métodos de avaliação são indispensáveis a este progresso, e as pessoas envolvidas estão fazendo esforço para encontrá-los. Espera-se que este ponto singular faça uma grande contribuição ao avanço geral de engenharia cerâmica.
	Com estas tendências como uma base, tem havido um bocado de discussão sobre como os materiais deveriam ser feitos. De fato, a partir da síntese do material básico todo o caminho até a tecnologia de avaliação da confiabilidade, um novo sistema de ciência de materiais está surgindo(situação de 1987). Existe um grande potencial de cerâmicas de não-óxido em várias áreas que têm condições de uso nas quais metais não se manterão, mas é muito difícil realizar a inerente funcionalidade superior destes materiais. Ainda se deve ser forte suficiente para aceitar o desafio de gerar novos materiais.
2.3 - QUE TIPOS DE NITRETOS CERÂMICOS EXISTEM?
Nitretos são compostos de nitrogênio expressos pela fórmula MexNy (Me: metal), e tem-se notado que nos anos recentes (referência a 1987) eles juntamente com carbetos se situam entre cerâmicas especiais como materiais que cobrem as áreas nas quais cerâmicas de óxidos são fracas. É bem conhecido que existem muitos tipos de nitretos, mas todos eles são minerais fabricados pelo homem e não encontrados na natureza. A despeito dos muitos tipos, aqueles com possibilidades materiais são limitados. Digamos, nitreto de boro (BN), nitreto de alumínio (AlN), nitreto de silício(Si3N4) e nitreto de titânio (TiN) são os principais.
Figura 2.5 – Estruturas cristalinas típicas.
As propriedades gerais são as seguintes: estruturas cristalinas são predominantemente hexagonais ou cúbicas, e densidades cobrem uma larga faixa desde cerca de 2,5 até 16 gcm-3 (por exemplo, nitretos de Ta ou W); também numa atmosera restrita (não-oxidante) resistência ao calor é muito alta. Isso dá uma concepção grosseira. Quando a preocupação estiver restritaa materiais estruturais, a classificação de acordo com os campos de uso é a seguinte: (1) partes de máquina de alta resistência mecânica, (2) peças resistentes à corrosão e ao desgaste, (3) peças resistentes ao calor, e (4) outras peças de manutenção estrutural. Assim, quando metais normais ou cerâmicas de óxidos não forem bastante satisfatórios, ou quando uma idéia bastante atraente tiver que ser realizada, se pode dizer que estes materiais devem ser olhados em busca de resultados interessantes. A posição destes materiais dentro dos materiais industriais como um todo não se tem solidificado e uma vez que está se assentando, o outro lado é que um grande volume de dados precisa ser acumulado.
A Tabela 2.1 exibe as propriedades de nitretos representativos, mas estes são somente propriedades básicas e para outras propriedades relacionadas às cerâmicas, o leitor deve procurar as seções dedicadas às cerâmicas individuais.
Tabela 2.1 – Propriedades típicas de nitretos.
Aqui existem alguns poucos comentários sobre as propriedades. Primeiro, pontos de fusão extremamente altos são uma característica. Entretanto, muitos destes materiais tendem a se decompor na pressão atmosférica e é um equívoco pensar que eles vão agüentar ir até a temperatura estipulada. Na prática, se os dados para os materiais reais não forem cuidadosamente investigados, existe uma chance de que estimativas serão falhas. Como para resistência, uma larga faixa é coberta a partir de materiais isolantes até condutores. Em materiais de baixa resistência, a estrutura cristalina é uma na qual nitrogênio é adicionado à estrutura cúbica original (etc.) do metal, e a estrutura original é retida; assim a resistência é próxima daquela do metal original. Os materiais nos quais a estrutura cristalina é diferente daquela original do metal caem dentro dos isolantes.
2.4 – QUE TIPOS DE CARBETOS CERÂMICOS EXISTEM?
	
Carbetos são um grupo de compostos expressos pela fórmula geral MexCy (Me: metal), que incluem materiais com extrema dureza e pontos de fusão extremamente altos. Por causa destas características, estes materiais são importantes para cerâmicas de engenharia. Entretanto, tal como nitretos, são limitados porque exposição a uma atmosfera oxidante causa oxidação inevitável dando CO2 e um óxido metálico. Carbeto de silício é uma excessão e tem uma bastante boa resistência à oxidação. SiC, carbeto de boro (B4C), carbeto de titânio (TiC), carbeto de zircônio (ZrC), carbeto de vanádio (VC), carbeto de tântalo (TaC), carbeto de tungstênio (WC), carbeto de molibdênio (Mo2C), etc., podem ser dados como carbetos representativos.
Figura 2.6 – Características de cerâmicas de carbetos.
SiC é um material industrial bem conhecido e largamente usado e tanto TiC quanto WC são usados para pontas de ferramentas de corte e revestimentos resistentes ao desgaste. A extrema dureza de B4C dá origem, por exemplo, ao seu uso em almofariz e a sua leveza dá origem ao seu uso em coletes à prova de balas e às hastes de controle para reatores nucleares. Em adição, carbeto de urânio (UC) tem aplicações como um combustível nuclear.
Sabe-se que as composições químicas de carbetos possuem largos limites estequiométricos. Assim Me2C muda para MeC2 e para cada um de um número de outros carbetos existem várias composições. Mas é característico de carbetos de Si, Ti, Zr e Hf terem apenas uma estequiometria. Destas, tanto HfC quanto TaC têm altos pontos de fusão da ordem de 3900oC e assim têm possibilidades como filamentos de bulbos de iluminação.
Uma grande diferença entre estes compostos e os nitretos é a sua condutibilidade elétrica; e o uso desta propriedade em SiC pode ser visto nos elementos de aquecimento de fornos de alta temperatura. E uma vez que carbetos cerâmicos têm este tipo de resistência ao calor, extrema dureza acompanhada pela resistência à abrasão, e condutibilidade elétrica, eles podem ser usados como materiais estruturais funcionais.
Na Tabela 2.2 estão mostradas um número de características que são típicas de SiC, TiC, WC e TaC. Destas, a natureza geral destes compostos pode ser deduzida. Pode ser visto que pontos de fusão e valores de dureza são extremamente altos. Com uma exceção, a resistência elétrica é baixa, e os compostos são bons condutores. SiC é geralmente conhecido como um semicondutor, mas sabe-se que numa forma de monocristal ultrapuro exibe característica isolante. Entretanto, a obtenção de uma tal alta pureza num material industrial é tecnica e economicamente difícil e é um problema a ser encarado no futuro próximo (referência a 1987). Com continuado interesse na síntese de materiais de alta pureza, a expansão adicional da nova funcionalidade pode ser esperada.
Tabela 2.2 – Propriedades de carbetos representativos.
Os exemplos desta seção são limitados, mas as mesmas coisas podem ser ditas sobre outros grupos de carbetos. É importante que as necessidades de síntese de material e os requisitos de uso prático se encontrem. Aqui a diferença entre uma substância e um material útil deve ser entendida . Mesmo embora uma substância tenha um grande potencial, se ele se tornará ou não um material útil depende dos processos de fabricação, do planejamento, do projeto, etc. Parece ser pensamento comum o “se não funcionar da primeira vez então não é bom”, mas mergulho numa outra etapa para a frente é recomendada.
2.5 – ALUMINA (Al2O3) É UM MATERIAL CERÂMICO TÍPICO. O QUE ELA É?
ALUMINA
	As cerâmicas têm sido usadas em diversos campos nos últimos tempos. Alumina é típica e pode ser considerada como uma cerâmica fina. As propriedades relevantes ao uso das cerâmicas de alumina como um material estrutural são, abreviadamente, uma extremamente alta temperatura de fusão (2050oC), dureza, isolação elétrica e a capacidade de tomar diversas formas e funções
Tabela 2.3 – Propriedades de cerâmicas de alumina.
	As matérias primas de alumina deveriam ser mencionadas aqui. Alumina (Al2O3), que é o óxido de alumínio (Al), é segunda apenas em relação à sílica (SiO2) entre os minerais naturais nas quantidades existentes na natureza. Uma grande proporção dela existe em feldspato, mica e outros alumino-silicatos e a alumina pura só é encontrada em pequenas quantidades. Bauxita, que é bem conhecida, recebeu o nome do lugar da França onde ela foi descoberta em 1821. Ela é Al2O3 hidratada e é composta de uma mistura de Al2O3•H2O e Al2O3•3H2O. Subsequente pesquisa esclareceu o que é conhecido hoje, isto é que a alumina hidratada existe nas formas de diásporo ((-Al2O3(3H2O), boemita ((-Al2O3(H2O), hidrargilita ((-Al2O3(3H2O)e bayerita ((-Al2O3(H2O). Correspondentemente, bauxita é um termo geral para minérios de hidróxidos de alumínio. Existem na natureza pequenas quantidades de corundum (alumina anidra). Al2O3 pode também ser obtida artificialmente a partir de vários sais químicos através de tratamento químico quer pelo método de via úmida quer pelo método de via seca. Em adição, alumina fundida que é um estado cristalino estável é produzida pela simples fusão de matérias primas e é composta de cristais de (-Al2O3, que são da mesma natureza que o corundum.
Uma outra coisa importante a saber sobre alumina é o conjunto das suas transformações. Além de (-Al2O3, existem as variedades polimórficas (((((((((((((( etc. A configuração cúbica de estrutura espinélica tem vacâncias de rede catiônica. Em temperaturas superiores a 1000oC, ela é transformada à configuração (, mas o reverso não ocorre. Também, quando a configuração ( aparece em Na2O(11Al2O3, ela é conhecida como um condutor de íon sódio.
Agora, onde a alumina é usada? Recentemente (referência a 1987) ela tem mantido uma importante posição nas assim chamadas indústrias estai-principal (esteio principal, “mainstay”) e é um material chave em substratos de CI (“IC”) e de semicondutores “ultra-LSI (large-scale integration)” para máquinas de facsimile, bulbos de alumina transparente para lâmpadas de sódio de alta-voltagem (conhecidas com o nome de “Lucalox”), peças de automóvel e velas de ignição. Isto mostra que o isolamento elétrico, alta condutibilidade térmica, alta resistência mecânica e propriedades anti-corrosão da alumina dá origem uma abundância de produtos. Outros usos da alumina incluem rubis artificiais, ferramentas cerâmicas (bits) que fazem uso de sua resistência ao desgaste, sistemas de cermet (por exemplo, Al2O3-Cr) e abrasivos.
Figura 2.7 – Substrato para montagem de alta densidade.
2.6 – O QUE É ZIRCÔNIA?
	Zircônia é um óxido descrito pela fórmula ZrO2. Ela é uma nova cerâmica fina e seu desenvolvimento doravante (referência a 1987) vale a pena ser notado. Uma vez que ela tem uma extremamente alta temperatura de fusão de cerca de 2700oC, seu potencial original era um material refratário; mas seu uso seria limitado por causa de suas peculiares transformações. Estas transformações se processam em três estágios:
1000-900oC 			2370oC
Monoclínica (((((( tetragonal (((((( cúbica
	As transformações são acompanhadas por grandes mudanças em volume, e se o material for usado sem modificação, surgem trincas ou outras mudanças consequentes. Entretanto, sabe-se que a adição de Y2O3, CaO, etc., na estrutura cristalina mantém a configuração da mais alta temperatura (cúbica) mesmo em baixas temperaturas. Isto é chamada zircônia estabilizada. Este é um material importante para eletrólitos sólidos, uma vez que ZrO2 tem ligações altamente iônicas e tem uma estrutura de fluorita (CaF2), estrutura cristalina cúbica. A estrutura da fluorita é uma rede cúbica de face centrada, com ânions no centro de cada um dos 8 tetraédros que ela forma e um espaço aberto grande dentro do octaédro interno. Assim, a difusão dos ânions, que formam um cubo simples, é facilmente comparada àquela dos cátions. Além disso, vacâncias de ânions existem em maior abundância do que seria normalmente criada por aditivos e condições de temperatura. Esta discussão termina aqui com os conceitos gerais e detalhes são deixados a livros sobre cristaloquímica.
Figura 2.8 – Configuração do sistema ZrO2-Y2O3 (H.G. Scott "Phase Relationship in the Zirconia-Yttria Systema", J. Mat.Sci., 10, 1527 (1975).)
	Existe também uma zircônia parcialmente estabilizada, melhor conhecida pela sua sigla PSZ. A transformação tipo martensítica de ZrO2 tetragonal ( ZrO2 monoclínica, mostra o efeito de absorção de energia produzido quando a configuração de ZrO2 estiver sendo desfeita. Por causa disto, embora cerâmicas sejam usualmente frágeis, pode-se fabricar cerâmica de alta tenacidade, difícil de ser quebrada. De fato, a absorção da energia suprime o progresso de colapso molecular. Isto é chamado “transformação de fase induzida por tensão” e seu desenvolvimento vale a pena em termos do uso de cerâmicas de alta tenacidade como materiais estruturais. A estrutura de PSZ é como se segue: como notado antes, ZrO2 com configuração cúbica estável é sintetizada em altas temperaturas pelas adições de CaO ou Y2O3. A seguir, se ela for recozida em temperaturas nas quais a configuração tetragonal é estável, diminutos cristais tetragonais serão precipitados e uma mistura das configurações cúbica e tetragonal será produzida. Assim, a mistura é parcialmente estabilizada pela parte que está na configuração cúbica. A solução sólida com Ca(Y) é expressa pela fórmula (Zr,Ca(Y))O2-x, porque a migração de íons O2- é possível uma vez que as vacâncias da rede do oxigênio são produzidas. Por causa desta capacidade de eletrólito sólido, ela é usada em sensores de oxigênio (células de concentração de oxigênio). Também existem altas expectativas para PSZ em peças para máquinas de alta temperatura por causa de sua alta tenacidade. 
Figura 2.9 – Resistência mecânica versus composição da cerâmica de zircônia no sistema cúbico (T.K. Gupta. Rate of stress-induced phase transformation in enhancing strength and toughness of zirconia ceramics. Fracture Mechanics, 1978. Plenum Press, (pp.877-889).
Tabela 2.4 – Tenacidade de vários materiais.
Esta tenacidade abrirá o caminho para que não existem agora (referência a 1987), tais como tesouras e facas cerâmicas; portanto o desenvolvimento deste material será excitante.
Um problema com o PSZ é que configurações semi-estáveis existem em equilíbrio em altas temperaturas, de modo que mesmo na faixa de temperatura na qual a mudança à configuração estável deveria ocorrer, PSZ nem sempre se forma. No presente (referência a 1987) melhorias nas características de alta temperatura estão sendo estudadas.
2.7 – QUAIS SÃO AS CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DE CERÂMICA DE 
 NITRETO DE SILÍCIO?
	Em anos recentes (referentes a 1987), nitreto de silício (Si3N4) têm despertado muita atenção como um material industrial de alta temperatura, e se desenvolveu nos últimos 10 anos (referente a 1987) até o ponto que ele é quotado no mesmo nível de importância que o carbeto de silício e os óxidos. Esta cerâmica que foi primeiro desenvolvida na Grâ-Bretanha na década de 1960, e energeticamente estudada nos Estados Unidos da América, Japão e Alemanha Ocidental na década de 1970, é agora a principal cerâmica de uso corrente em alta temperatura e alta resistência mecânica. Para assinalar algumas propriedades de Si3N4, ele é leve (massa específica de 3,19 g/cm3), duro (dureza Vickers de 1900 g/mm2), forte (módulo de Young de 3 x 104 kg/mm2), e tem um baixo coeficiente de expansão térmica (3 x 10-6). As razões pelas quais esta cerâmica pode ser considerada para materiais de motores e outras peças mecânicas para as quais até agora (1987) apenas metais puderam ser considerados (isto é, peças que são usadas em temperaturas ultra-altas), são as seguintes. Si3N4 diferem-se dos óxidos pelo fato de que ele não se funde em altas temperaturas; em vez disto, decomposição e sublimação desprendendo Si e N entre 1800oC e 1900oC é característica, e é resistente á deformação em altas temperaturas porque suas ligações moleculares são ricas em covalência. Seria muito bom se materiais cerâmicos convenientemente possível pudessem ser extraídos a partir das características de Si3N4. O problema é como realizá-los.
	Primeiro o processo de sinterização é realizado. Geralmente aceleradores de sinterização são adicionados à matéria-prima em pó, e a seguir densificado termicamente em temperaturas acima de 1700oC. Existe um outro método no qual a densificação ocorre sem o uso de ajudante de sinterização (sinterização com reação). Isto mostra a produção do material cerâmico, mas não diz nada sobre a extremamente importante engenharia envolvida nos processos que o conformam em peças úteis. Istosignifica que planos para objetos que são de uso prático devem ser estudados. Desempenho deve ser verificado por análise de tensão, fabricação de protótipo, teste de peças, e testes práticos. Também, desenvolvimento de materiais paralelos e o desenvolvimento de técnicas de avaliação são necessárias para o desenvolvimento de materiais de alta temperatura. No futuro próximo, a sistematização de ciência de materiais colocará também estas em uso. 
	A seguir, vamos dar uma olhada nos campos onde Si3N4 pode ser usado. Uso em peças de máquina de alta temperatura centraliza-se numa larga faixa de áreas relacionadas à energia, e mesmo quando restritas a altas temperaturas, alta resistência mecânica, peso leve e alta resistência à corrosão, existem muitas áreas de aplicação, como mostrado na Tabela 2.6. Em particular, o desenvolvimento de motores térmicos eficientes para carros, que é perpetuado pela futura crescente dependêncvia em petróleo, irá necessariamente se virar para cerâmicas. Em qualquer evento, pode-se pensar que o desenvolvimento deste material como sendo na região de tecnologia inexplorada, e embora o obstáculo a ser ultrapassado seja alto, ele pode ser clareado.
Tabela 2.5 – Propriedades Típicas de cerâmicas de Si3N4.
Figura 2.10 – Concepção de um motor a diesel cerâmico.
Tabela 2.6 – Usos de cerâmicas de Si3N4.
2.8 – QUAIS SÃO AS NOVAS TÉCNICAS PARA AS CERÂMICAS DE CARBETO
 DE SILÍCIO?
	Carbeto de silício tem sido quotado junto com nitreto de silício com um material cerâmico não-óxido para alta temperatura desde a década de 1970. Cerâmicas de SiC tem sido conhecidas há muito tempo e tem sido colocadas em uso prático. SiC é sintetizado tanto pela redução carbotérmica da SiO2 quanto pela carbonização direta do Si. As estruturas cristalinas típicas são cúbica (β) e cúbica (α), mas SiC exibe muito polimorfismo, e síntese de monocristal está sendo estudado. Os períodos do cristal variam ligeiramente de acordo com as condições de síntese, etc.
	Assim, como ele tem sido um tópico em cerâmicas nos últimos 10 anos? (referentes a 1987). Ele primeiro começou com um artigo publicado por Dr. Drochazcha, um pesquisador da General Electric. Notou-se que as ligações covalentes de SiC são extremamente fortes e conduzir a sinterização suficientemente adiante é muito difícil; entretanto, misturando nele pequenas quantidades (~ 1%) de boro (B) e carbono (C) e sinterização ao redor de 2000oC torna possível a sinterização até a densidade teórica. Isto significou um grande negócio do ponto de vista da sinterização. Se a sinterização de SiC é uma sinterização com fase líquida ou uma sinterização em estado sólido nem sempre é claro, mas um processo de sinterização no qual nenhum líquido discernível foi produzido. Isto pode ser explicado pelo fato de que as condições termodinâmicas são satisfeitas porque boro e carbono causam uma mudança nas condições de superfície de pó de SiC. Até então, sinterização via um grande volume de fase líquida tinha sido conhecimento comum, mas a ocorrência de uma sinterização sem líquido com pequena quantidade de aditivos se tornou um assunto para atenção mundial. A partir daí um número de aditivos foi estudado, mas geralmente sabe-se que sistemas centrados em B e C, por exemplo B4C, são eficientes. 
	Existe uma cerâmica de SiC sinterizada por reação que é feita usando a reação, Si + C → SiC. Não existe nenhum aditivo, mas em retorno, existe um comparativamente grande número de poros; assim, existe a falha de material de baixa resistência mecânica. Além disto, SiC tem sido fabricado por encharcamento de SiC em Si fundido.
	Pensa-se que peças de máquinas resistentes á corrosão e á abrasão e peças de turbina a gás de alta temperatura são as principais aplicações para cerâmicas de SiC. Comparadacom Si3N4, pode-se esperar maior resistência à corrosão neste tipo de peças de máquina. Até agora (1987), baixa resistência mecânica tem sido uma dificuldade, mas com uma pequena melhoria, suas propriedades podem ser consideradas muito boas. 
	Por outro lado, as propriedades físicas de SiC são dignas de nota. Comparadas com outras cerâmicas, sua condutibilidade térmica é extremamente alta. Geralmente, SiC tem impurezas e é semicondutor, mas pesquisadores na Hitachi têm dito que se ele for sinterizado com a adição de BeO, uma pequena quantidade forma uma solução sólida, e ele se torna um isolante. Ele tem a condutibilidade térmica de Al e a propriedade de isolamento de Al2O3 e é notável como um material ideal de embalagem para semicondutores integrados de pequeno tamanho.
Figura 2.11 – Peças de máquina de SiC (Toshiba Ceramics, Inc.).
Tabela 2.7 – Propriedades de cerâmicas de SiC.
2.9 – O QUE É SIALON?
SIALON
	Mais de 4 anos (referência a 1987) se passaram desde o início do estudo do desenvolvimento de nitreto de silício (Si3N4) como material de alta resistência mecânica em alta temperatura e durante este tempo novas substâncias e materiais foram encontrados. Entre eles Sialon atraiu a maior parte da atenção dos investigadores. A palavra se origina da seguinte maneira. Sabe-se que quando Si3N4 com Al2O3 adicionada é sinterizado, a Al2O3 forma uma solução sólida no Si3N4 e a série de materiais formados é conhecida pelos nomes dos elementos constituintes, Si-Al-O-N. Isto é Sialon. Sialon é usado como um nome e mantém um lugar entre os muitos materiais do sistema Si3N4-Grupo óxido.
Figura 2.12 – Composição de Sialon.
Figura 2.13 – Configuração de Sialon (K.H. Jack, J. Mat. Sci. 11, 1135(1976).
	As propriedades de Sialon são: (i) expansão comparativamente pequena ( 2-3 x 10-6 oC-1) e (ii) alta resistência à corrosão (ele tem a qualidade de reagir com uma atmosfera oxidante emaltas temperaturas e, por exemplo, a deterioração da resistência é comparativamente maior do que aquela de outros sistemas materiais de Si3N4), mas como a caracterização não está completa (em 1987), desafortunadamente não se pode chegar a nenhuma conclusão. Portanto, apenas uma descrição parcial será dada aqui.
	Primeiro, como se fabrica o Sialon? Se um sistema Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2 (quatro elementos) reagir-se numa temperatura entre 1700oC e 1800oC, Sialon é produzido. Muitos tipos de Sialon são sintetizados aqui. Esta não é uma reação simples e as condições são tais que outras fases são criadas antes que a reação principal se complete. Entre elas, a solução sólida mencionada acima é chamada “(-Sialon” e assim tem a mesma configuração de (-Si3N4. (Exitem dois tipos de Si3N4, ( e (.) Esta solução sólida é expressa pela fórmula
Si6-xAlxOxN8-x( O x 4,2)
	Como mostrado na Figura 2.13, existem outros tipos de Sialon que são diferentes de (-Sialon e novos campos de química de óxido e cristalografia estão sendo abertos. É raro obter uma configuração única na síntese destes materiais. Isto é assim porque as reações ocorrem entre muitos ingredientes e são dominadas por fatores de tempo e pelos fatores básicos de processos de síntese de material. Algumas vezes, (-Sialon sozinho é chamado Sialon e as duas características mencionadas acima podem ser consideradas típicas.
	A larga faixa de aplicações que está sendo considerada inclui partes de motores, “jigs”resistentes à corrosão, etc. Isto é repetitivo, mas de novo, a síntese de monofases e o completo controle dos problemas técnicos centrais, e material verdadeiramente útil deve aguardar os resultados da pesquisa em curso (em 1987). Naturalmente, levará um certo tempo para caracterizar as outras substâncias na Figura 2.13. Assim, as aplicações e a ciência do Sialon, com seus muitos campos subdesenvolvidos, estão sendo pesquisados no nível primário.
2.10 – QUAIS SÃO AS CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES DE NITRETO DE 
 ALUMÍNIO (AlN).
	Cerâmicas de nitreto são novos materiais de alta temperatura (situação em 1987) dignas de nota. Dentre estas, espera-se que o nitreto de alumínio (AlN), que é uma nova cerâmica (em 1987), seja útil como material refratário industrial, porquenão se deixa molhar facilmente por metais líquidos; ele é altamente estável numa atmosfera não-oxidante em altas temperaturas na região de 2000oC, e sua resistência ao choque térmico é comparativamente alta. Embora ela tenha sido chamada "nova", AlN tem uma longa história. A sua síntese começou com Geuther em 1896, e no começo do século vinte, ele se tornou um bem conhecido intermediário para a fixação do nitrogênio no método Serpek. Este é um método no qual uma mistura de pó de bauxita e coque é aquecido ao redor de 1750oC numa atmosfera contendo nitrogênio. AlN é produzido por uma reação que segue a fórmula Al2O3 + N2 + 3C → 2AlN + 3CO. Este AlN é a seguir reagido com água para sintetizar amônia (NH3). O uso deste método parou com o desenvolvimento do posterior método Harber, mas como ele apresenta tais possibilidades físicas e químicas, investigações de usos industriais continuam. Não só existe interesse nele como material estrutural, mas também pesquisa está sendo realizada (em 1987) na síntese de monocristal de AlN, que é um composto da família III-V, para uso eletrônico bem como em filme fino e muitos outros tipos de pesquisa.
	Os métodos de produção de AlN são aquecimento de uma mistura de pós Al2O3 e de C numa atmosfera de N2 ou de NH3 (método Sperk), a reação direta de Al e N2 e NH3, a reação de haletos de Al com NH3, etc. A fim de produzir um material útil, um produto sinterizado deve ser fabricado, e existem a prensagem a quente, sinterização sob pressão padrão ("standard pressure sintering"), sinterização sob reação e outros métodos disponíveis. Um produto sinterizado de alta densidade pode ser obtido por prensagem a quente sob pressão até 1800 a 2000oC. AlN é um composto bastante altamente iônico para um não-óxido; correspondentemente, transferência de material se processa independentemente até uma certa extensão, e uma força motriz tal como pressão externa de prensagem a quente permite a sua densificação. A Sinterização sob pressão padrão ("standard pressure sintering") é realizada a aproximadamene 1800oC com o uso de aditivos de sinterização (Y2O3, Al2O3, SiO2, BeB, CaO, etc.). Sinterização sob reação é um método de obtenção de produtos densos pela nitretação de Al. Mesmo quando a produção de calor do sistema Al-AlN esteja controlada, uma certa quantidade de poros remanescerá, e apenas um produto simplesmente sinterizado pode ser obtido, porque a reação é acentuadamente exotérmica. 
	Aplicações práticasde AlN incluem material infusível ("non-melting material") para cadinhos de fusão de metais, tubos de proteção, câmaras de vácuo para evaporação [tais como aquelas do ouro (Au), por causa da sua baixa pressão de vapor], tijolos refratários, porta-amostras ("jigs") refratários, etc. Os tijolos refratários são ideais para uso para fornos não-oxidantes da classe 2000oC, porque sua resistência térmica em atmosferas especiais é excelente. Um outro uso para AlN é em placas de radiação térmica. Uma vez que a sua condutividade térmica é 2 a 3 vezes maior do que aquela de Al2O3, ele é usado em campos com requisitos para alta condutividade térmica sob alta tensão, tal como o isolamento de junções semicondutoras e substratos de radiação térmica em veículos motorizados. A combinação de condutividade térmica, resistência mecânica, e resistência térmica torna AlN uma substância que vale muito a pena. 
Figura 2.14 – AlN sinterizado.
Tabela 2.8 – Propriedades de cerâmicas de nitreto de alumínio.
2.11 – BREVE EXPLICAÇÃO DE NITRETO DE BORO (BN)
	Nitreto de boro é chamado carbono branco, uma vez que ele lembra de perto o carbono, e existem sistemas amorfo, cristalino hexagonal e cristalino cúbico. Como mostrado na Figura 2.15, nitreto de boro hexagonal lembra grafite, e boro e nitrogênio formam uma estrutura hexagonal tipo rede com as camadas ligadas entre si por fracas forças de Van der Waals. Mas ele se distingue da grafite porque ele exibe uma propriedade de isolamento elétrico e cor branca. Portanto este material é usado não apenas para materiais resistentes à temperatura e à corrosão e isolantes elétricos, mas também como material para difusão de B em semicondutores. Por outro lado, nitreto de boro cúbico tem uma estrutura tipo diamante, de modo que ele é usado como um material de ferramenta de corte.
Figura 2.15 – Estrutura cristalina de nitreto de boro hexagonal.
Em geral, nitreto de boro hexagonal é conformado por prensagem a quente, e o produto sinterizado é usinado. Desta maneira, uma vez que o nitreto de boro pode ser efetivamente processado e usinado, peças cerâmicas de precisão podem ser produzidas facilmente. Em contraste, nitreto de boro cúbico é sintetizado da mesma maneira que o diamante pela aplicação de ultra-alta pressão dando um compactado de pó de partícula fina.
	A seguir, as características destes nitretos de boro podem ser fornecidas. A configuração hexagonal tem alta resistência térmica, decomposição térmica a 2200oC, e alta resistência à corrosão. Ela é facilmente usinada, e é um excelente lubrificante e isolante elétrico. Por outro lado, nitreto de boro cúbico, do mesmo modo que o diamante, tem dureza extrema e alta condutibilidade térmica, etc. As características fundamentais de nitreto de boro e seus produtos estão sumariados nas Tabela 2.19 e Tabela 2.10, respectivamente. 
Tabela 2.9 – Propriedades básicas de nitreto de boro hexagonal.
Tabela 2.10 – Propriedades de produtos formadores de BN hexagonal.
	Existe abundância e variedade nas aplicações práticas de nitreto de boro que incluem materiais resistentes à temperatura e à corrosão, tais como potes de fusão de metais, porta-amostras ("jigs"), bombas de transferência de roda única ("sigle-wheel transfer pumps"), materiais de alta temperatura para forno, barcos, moldes para vidro, etc.; materiais elétricos tais como isolantes, polarizadores de luz de infravermelho e de microondas e materiais permeáveis, circuitos integrados ("ICs"), transistores, painéis de radiação calorífica para módulos de microondas, e fontes de difusão de boro em semicondutores; e lubrificantes em várias formas sólidas, e aerosóis ("sprays"). Ele é usado também em blindagem de reatores nucleares e intermediários de transmissão de pressão. Os ítens assinalados acima são os usos gerais de produtos conformados e de pós, mas nitreto de boro cúbico especial exibe grande potencial em materiais para ferramenta e moagem ("grinding").
2.12 – QUAIS SÃO AS CARACTERÍSTICAS DE CARBETO DE TITÂNIO E
 CARBETO DE TUNGSTÊNIO
	Existem muitos carbetos dos metais de transição tais como carbeto de titânio (TiC), carbeto de tungstênio (WC), carbeto de tântalo (TaC), carbeto de zircônio (ZrC), etc., todos eles tendo características similares. Eles se caracterizam pela extrema dureza e resistência ao desgaste. Destes, TiC e WC são largamente usados para produtos industriais. Ambos, com a adição de metais são usados na forma de cermets, estes último sendo chamados de "liga super-dura".
(1) Cermets de carbeto de titânio.
	A partir da metade da década de 1950, estes cermets têm sido postos em uso em ferramentas de acabamento de alta velocidade para aço. Antes disto, ferramentas cerâmicas que eram feitas principalmente de alumina tinha sido usadas, mas padeciam do problema da fragilidade. Como mostrado na Figura 2.16, estes cermets foram desenvolvidos como materiais de ferramenta que podem ser colocadas como intermediárias entre cerâmicas e ligas- super-duras. Eles são fabricados com TiC como o constituinte principal pela adição de Ni e Mo e sinterização. Cermets tipo TiC mostram características superiores de resistência ao desgaste "anti-pitting", e se eles forem usados na mesma faixa de velocidade que as ligas-super-duras, eles têm uma maior vida em serviço. Outros aspectos incluem melhores superfícies de acabamento, favorabilidade sobre WC em termos de recursos. 
Figura 2.16 – Classificação de materiais de ferramentas.
	Baseado nestas características, eles são usados para cortes de acabamentode aços rápidos ("high-speed steels") e cavacos soltos, mas não são adequados para cortes descontínuos ou processamento grosseiro.
(2) Ligas super-duras baseadas em carbeto de tungstênio.
	Liga-super-dura tem WC como o constituinte principal, e tem uma longa história. A sua produção no Japão começou em 1928. Durante a Segunda Guerra Mundial, seu uso em ferramenta de corte e materiais de matriz se difundiu rapidamente, e até hoje (1987), ele tem sido usado numa variedade de campos como o principal material para ferramentas. Em termos de composição, existem dois tipos: (i) o sistema WC-Co e (ii) o sistema WC-TaC-TiC-Co. Estes são feitos usando WC como o constituinte principal, e após conformação sob pressão eles são sinterizados. Comparados com ferramentas de aço, estes têm características superiores no sentido de que eles possuem grande dureza até altas temperaturas, excelente resistência ao desgaste, alta resistência mecânica, alta resistência à compressão, e excelente resistência ao impacto. Por causa disto, eles são usados não apenas para cortar aço, aço fundido, e materiais de sistema de aço, mas também para cortar ferro fundido, metais não ferrosos e não-metais. A Tabela 2.11 mostra uma comparação das características e usos de vários outros materiais ferramentas.
Tabela 2.11 – Características e usos de materiais de lâmina.
2.13 – QUE TIPOS DE CERÂMICAS EXISTEM PARA SISTEMAS DE COMBUSTÍVEL NUCLEAR?
	Atualmente (1987), geração de energia nuclear no Japão é feita principalmente em reatores nucleares de água leve (tipos: água em evaporação, BWR ["Boiling Water Reactor"], ou em água pressurizada, PWR ["Pressurized Water Reactor"]), nos quais pastilhas de UO2 que são chamadas "pelotas" ("pellets") são usadas como combustível nuclear. A estrutura de uma montagem de combustível nuclear é mostrada na Figura 2.17. Dentro das hastes de combustível nuclear se encontram peças de UO2 sinterizado que são chamadas "pelotas". As hastes são chamadas zircaloy, e as hastes de combustível são feitas de tubo de liga de zircônio
recheadas com as referidas pastilhas. 
Figura 2.17 – Montagem combustível BWR
	Aqui está uma explicação de pastilhas de combustível UO2. O principal processo de fabricação das pastilhas é mostrado na Figura 2.18, e este fluxograma pode ser grosseiramente dividido em processo de síntese do pó e processo de sinterização da pastilha de UO2. Durante a operação, as pastilhas são expostas a nêutrons de alta velocidade ou fragmentos de fissão nuclear, resultando numa contração dimensional ou num aumento de volume associado com a fissão nuclear. A fim de prevenir estas, é importante controlar a microestrutura das pastilhas. Poros são tornados grandes e após a sinterização, é necessário que a densidade seja da ordem de 94 ± 1,5% da densidade teórica. A Figura 2.19 mostra a aparência externa e a microestrutura das pastilhas. No caso de um reator de água leve, do ponto de vista da resistência térmica do tubo envoltório de zircaloy, é difícil elevar a temperatura interna acima de 500oC. Mesmo quando aço inoxidável for usado, a temperatura é limitada até 550 a 600oC. A fim de melhorar esta e aumentar a resistência térmica. foi desenvolvido o recobrimento de uma partícula de combustível com cerâmica. Na superfície, um carbono pirolítico ("pyrocarbon"), que é impermeável a gases é usado, e abaixo dele existe um recobrimento tampão de SiC, ambos os quais são aplicados por CVD. Este é um sistema de combustível nuclear de notável alta temperatura.
	Materiais de haste controladores de nêutrons são usados para controlar a saída (produção) de um reator de fissão nuclear. Tomando-se o BWR como um exemplo, pó de B4C é usado como um material de controle da haste, e o veneno do combustível G2O3 é misturado dentro da pastilha de UO2. Em adição, materiais periféricos tais como desaceleradores, materiais de radiação, e materiais de blindagem são importantes. Até aqui, isto tem sido uma explicação dos combustíveis cerâmicos e os materiais periféricos usados em reatores nucleares de água leve, mas no futuro espera-se que reatores de "breeder" rápido ("breeder reactor" = um reator nuclear que pode criar mais material físsil do que ele consome) e reatores nucleares de fissão serão desenvolvidos. Para tornar estes praticáveis, existem grandes expectativas para o combustível cerâmico do sistema UO2-PuO2 para o primeiro e um revestimento cerâmico para o último. Mas isto empurrará para fora os limites dos ambientes nos quais cerâmicas podem ser usadas, e mais tarde, especialmente, é considerada uma forte barreira técnica.
Figura 2.18 – Processo de fabricação de pastilhas de UO2.
Figura 2.19 – Pastilha de UO2 e sua estrutura (JNF Co.). (a) Vista externa da pastilha (diâmetro externo igual a 10,65mm). (b) Microestrutura.