É caro. É frágil. Porém, ele começa a ser utilizado para substituir o aço em motores, jatos e até no corpo humano.
Este é o paradoxo da cerâmica estrutural avançada. Durante décadas, eles foram vistos como materiais de nicho. Muito frágil para uso geral e muito caro para uso em massa. Mas num ambiente onde se come metal no café da manhã, a cerâmica é a única opção. Estamos falando de alto calor, corrosão profunda e atrito intenso. Nessas áreas, as fortes ligações químicas que tornam a cerâmica dura tornam-na dura. Coisas difíceis quebram.
O problema não é falta de força. O problema é que nos falta resistência. Rachaduras começaram a aparecer e eles fugiram. Rapidamente. até que o material se quebre.
Mas os engenheiros estão reagindo. Os pesquisadores descobriram uma maneira de evitar rachaduras ajustando a microestrutura. Eles estão tentando transformar a cerâmica frágil em algo que se comporte mais como o aço. Isso não é mágica. Isso é microengenharia.
Aqui está como eles estão fazendo isso.
Por que a cerâmica é importante (se o metal falhar)
Primeiro, precisamos esclarecer um mal-entendido. Cerâmicas estruturais avançadas não são usadas na construção de pontes. Seus altos custos e propriedades mecânicas variáveis dificultam cálculos seguros. Estas são alternativas caras aos metais e polímeros.
Mas considere o interior do motor de um carro. Ou pás de turbina a jato. Ou o implante de quadril em um paciente.
Nestes casos, você precisa de materiais que possam suportar:
Calor extremo para não derreter ou deformar.
* Corrosão química ou de fluidos corporais.
* Erosão causada por partículas de desgaste ou atrito constante.
O metal derrete. Queimaduras de polímero. Compósitos delaminados. Cerâmica? Eles apenas ficam ali quimicamente inertes e termoquimicamente estáveis.
Tomemos como exemplo os equipamentos de processamento mineral. transformando pedras em pó. O aço comum se desgasta em poucos meses. A cerâmica de alta qualidade é muito resistente ao desgaste e pode ser usada por muitos anos. Ou considere substitutos ósseos. O corpo é um ambiente altamente corrosivo. Os metais corroem e liberam íons tóxicos. Algumas cerâmicas são biocompatíveis e quimicamente inertes. Eles não reagem. Eles apenas seguram a carga.
“A cerâmica tem ligações químicas fortes, por isso resiste a condições muito adversas.”
Essa durabilidade vem do nível atômico. As ligações são tão fortes e não são facilmente deformadas. Mas essa mesma resistência significa que eles não desistirão. Eles não esticam. Eles quebram.
Para torná-los adequados para aplicações estruturais diárias, o problema da fragilidade deve ser resolvido. pare as rachaduras.
Falha frágil
O maior obstáculo à utilização destes materiais em todos os lugares é a sua suscetibilidade inerente a defeitos. A cerâmica não é uniforme. Há uma pequena falha. Vazios microscópicos. pequena rachadura.
Os metais se deformam quando é aplicada pressão sobre eles. Ele se estende. Absorve energia. Na cerâmica, a tensão concentra-se nas pontas dos pequenos defeitos. Propagação de fissuras. De repente, toda a assembléia falhou.
Este não é um problema pequeno. Esta é uma limitação fundamental do material. Alcançar cerâmica estrutural avançada requer que a cerâmica responda ao estresse. A energia necessária para a propagação da fissura deve ser aumentada.
Existem três maneiras principais de fazer isso.
Fortalecimento de cerâmicas: mudanças na microestrutura
Uma forma é alterar a estrutura interna da cerâmica. Em vez de usar uma malha uniforme de partículas, os engenheiros criam microestruturas usando grãos fibrosos ou interligados.
Pense nisso como um vergalhão em concreto. Porém, o vergalhão faz parte da própria cerâmica.
Quando uma rachadura tenta passar por esse material, ela atinge um obstáculo. Você não pode ir direto. Você tem que desviar. Você tem que ziguezaguear. Isto aumenta o comprimento do caminho da fissura. Um caminho de fissura mais longo significa que é necessária mais energia para movê-la.
Ao mesmo tempo, as partículas atrás da ponta da trinca preenchem a lacuna. mantenha a rachadura fechada. Eles funcionam como pequenos pontos.
Isso é feito com compósitos cerâmicos reforçados com whisker e compósitos cerâmicos reforçados com fibras. Como resultado, a área da fratura aumenta significativamente. O material absorve mais energia antes de quebrar. Esta não é mais uma ruptura única e limpa. Este é um processo complexo e que consome muita energia.
Microfissuras: Deixe ir e siga em frente
O segundo mecanismo é contra-intuitivo. Isto significa a criação intencional de pequenas fissuras. Em vez disso, deixe-o formar-se de maneira controlada.
Isso ocorre em cerâmicas policristalinas monofásicas com anisotropia de grão. Suas propriedades variam dependendo da direção. Também é adequado para microestruturas policristalinas bifásicas intencionais.
Isto é o que aconteceu. À medida que a fissura principal se aproxima, microfissuras menores se abrem em ambos os lados dela. Está na ponta da fenda.
Isso serve a dois propósitos.
Primeiro, é gasta energia para abrir essas fissuras secundárias. Isso torna menos energia disponível para a propagação da trinca principal. É como pagar o pedágio e seguir em frente.
Em segundo lugar, e isto é importante, as microfissuras que seguem a fissura principal aumentam o volume. Esta extensão visa fechar a fissura principal. Quanto mais a fissura se propaga, maior será a resistência à propagação. À medida que a pressão aumenta, o material essencialmente se repara ou pelo menos resiste a maiores danos.
Este é um sistema de defesa passivo. Está embutido no DNA do material.
Amplificador de mudança de fase: aço cerâmico
Esta é a abordagem mais promissora. E isso muda o jogo.
Isso é chamado de endurecimento de transformação. Transforma cerâmica em algo parecido com aço.
O material do protótipo é o óxido de zircônio (dióxido de zircônio, ZrO2).
A zircônia pura muda drasticamente quando resfriada abaixo de 1.150 °C (2.100 °F). A forma do cristal muda de tetragonal para monoclínica. Esta não é uma mudança sutil. O volume aumentou 3%.
Essa expansão geralmente faz com que o material rache ou desmorone. Mas os engenheiros encontraram uma maneira de explorá-lo.
Possuem partículas tetragonais muito finas dispersas em uma matriz de zircônia cúbica ou alumina. As partículas têm menos de 1 mícron. O contato próximo com a matriz mantém a estrutura tetragonal estável à temperatura ambiente. A pressão existe, mas ainda existe.
Então a rachadura se aproximou.
O campo de tensão que precede a fissura desencadeia a transformação. Os grãos tetragonais tornam-se monoclínicos. Eles aumentam isso.
Esta expansão aplica uma força de fechamento ao avanço da trinca. É como apertar tubos de pasta de dente por trás. A pressão pressiona a rachadura, fazendo com que ela feche.
Uma zona de processo é formada atrás da fissura, onde todas as partículas são transformadas. O aumento do volume cumulativo cria maior resistência. Quanto mais longa for a fissura, maior será a resistência.
Estas cerâmicas são frequentemente chamadas de “aços cerâmicos”. Por que? Isso ocorre porque a resposta de deformação à tensão é semelhante à do aço. Eles não quebram. Fica um pouco distorcido. Eles cedem.
A transformação de fase básica é martensítica. Este é o mesmo mecanismo que produz martensítico em aço resfriado rapidamente. Pegamos emprestadas as melhores técnicas da natureza a partir dos metais e as aplicamos à cerâmica.
O caminho para o futuro
Não aprendemos apenas esses materiais. Nós os projetamos.
a cerâmica temperada oferece uma ampla gama de possibilidades. Geradores que operam com mais eficiência em temperaturas mais altas, até veículos aeroespaciais que podem suportar temperaturas de reentrada sem derreter. Desde trituradores industriais que nunca precisam ser substituídos até implantes médicos que duram a vida toda.
Os obstáculos permanecem. Variabilidade de propriedades. A complexidade da fabricação. Custo.
Mas a ciência é sólida. Os métodos de endurecimento funcionam. Os materiais estão prontos.
Só precisamos aumentá-lo. Eles sempre pretendem se tornar uma realidade cotidiana.
A matemática da quebra
A tenacidade da cerâmica reforçada é muito menor que a dos metais, mas é significativamente melhor que a cerâmica vítrea comum. Para entender por que isso é importante, você precisa observar os números. A tenacidade à fratura, denotada por KIc, mede a intensidade da tensão na qual as trincas começam a se formar. A unidade é o produto dos megapascais vezes e metros. Esta é uma medida precisa de fragilidade.
O vidro está na parte inferior da escala e tem um valor KIc de 1. É muito frágil. Quebre-o e ele se estilhaçará. Os metais ficam no alto. As ligas de alumínio oscilam na faixa de 30-45. Os aços chegam a 40-65. Esta é uma grande lacuna.
Cerâmica tradicional? Eles sentam-se no 3-4. Quase igual ao vidro. Se deixar cair a placa cerâmica, esta poderá partir-se. Os compósitos reforçados com partículas crescem ligeiramente para 4-6. Ainda frágil. Mas adicionar bigodes e fibras muda a agulha. Os compósitos reforçados com whisker atingem os compósitos reforçados com whisker na faixa de 8 a 10. Os reforçados com fibra podem ter 10-25.
Em seguida vem a zircônia temperada por transformação (TTZ). Esses materiais ficam na faixa de 6–15. Esta área é importante. Ele permite que o rolamento de esferas TTZ salte repetidamente contra o piso de concreto. Nenhum dano visível. Você pode pensar que esse tipo de abuso causaria rachaduras na cerâmica. Isso não acontece. A microestrutura absorve choques.
O preço da resiliência
Se esses materiais são tão resistentes, por que não estão em toda parte? Os custos de produção são elevados.
A cerâmica não pode substituir os metais, a menos que haja um claro benefício económico. Eles têm que economizar dinheiro de outras maneiras. Talvez sejam possíveis temperaturas operacionais mais altas. Talvez dure mais. Se uma peça de cerâmica custa o dobro, mas dura três vezes mais, os compradores podem se importar. E se custasse o dobro e quebrasse o mesmo? Ninguém compraria.
Existem também deficiências térmicas. Estas propriedades endurecidas geralmente desaparecem quando o objeto é aquecido. À medida que a temperatura aumenta, a força motriz da mudança de fase diminui. Eventualmente, ele desapareceu. O material perde sua resistência. Está de volta ao estado frágil.
Bigodes e fibras em compósitos de matriz cerâmica enfrentam outro problema: a oxidação. eles se degradam em altas temperaturas. Por causa disso, eles são agentes de endurecimento eficazes. A matriz retorna ao comportamento frágil. Os engenheiros ainda estão lutando para projetar microestruturas que permaneçam resistentes mesmo quando aquecidas. Este ainda é um grande desafio na engenharia cerâmica.
Onde eles moram
Cerâmicas estruturais avançadas já estão em uso. Essas aplicações são abordadas em artigos correspondentes sobre cerâmica nuclear, biocerâmica, cerâmica tribológica e cerâmica automotiva. Não são apenas conceitos teóricos. Eles estão em motores, implantes, máquinas industriais, etc.
Eles também aprimoram os usos tradicionais. Materiais refratários e abrasivos apresentam melhor desempenho e propriedades de abrasão. As características básicas permanecem inalteradas, mas a estrutura tornou-se mais resistente. Mais difícil. É mais resistente ao calor e ao desgaste.
A lacuna entre a cerâmica e os metais está diminuindo em certas áreas. Não está fechando em todos os lugares. A barreira de custo é real. Os limites térmicos são reais. Contudo, em aplicações onde o peso, a resistência ao calor e a resistência à corrosão são mais importantes do que o preço de compra original, a cerâmica está assumindo o controle. O próximo obstáculo é se eles conseguirão sobreviver a altas temperaturas sem perder resistência.
