As cerâmicas especiais, também conhecidas como cerâmicas finas, são um tipo de material inorgânico não metálico produzido a partir de matérias-primas inorgânicas não metálicas de alta pureza, através de processos precisos de moldagem e sinterização. Ao contrário das cerâmicas tradicionais, elas não utilizam minerais naturais, como argila, como principais matérias-primas. Em vez disso, graças à utilização de matérias-primas de alta pureza sintetizadas artificialmente e tecnologias avançadas de preparação, ocupam uma posição de importância insubstituível nos campos da indústria moderna e da ciência e tecnologia.
As cerâmicas especiais podem ser divididas em uma ampla variedade de tipos de acordo com sua composição química, incluindo cerâmicas de óxido (como alumina, zircônia, etc.), cerâmicas de nitreto (como nitreto de silício, nitreto de alumínio, etc.), cerâmicas de carboneto (como carboneto de silício, carboneto de boro, etc.), cerâmicas de borido (como borido de zircônio, borido de lantânio, etc.), bem como cerâmicas compósitas compostas por múltiplos compostos e cermets com adição de metais. De acordo com suas funções de aplicação, elas podem ser divididas em duas categorias principais: cerâmicas estruturais compostas e de alta resistência e resistência a altas temperaturas, e cerâmicas funcionais elétricas e eletrônicas.
Desde componentes resistentes a altas temperaturas na área aeroespacial até embalagens de chips e elementos de sensores na indústria eletrônica; de componentes de células de combustível no setor de energia a articulações artificiais e materiais para restauração dentária na área biomédica, as cerâmicas especiais estão por toda parte. São como heroínas anônimas, impulsionando silenciosamente o progresso da ciência e da tecnologia modernas e transformando nossas vidas.
Cerâmicas de alumina: propriedades e aplicações
(1) Características de desempenho
As cerâmicas de alumina, com alumina (Al₂O₃) como principal componente, ocupam uma posição importante no campo das cerâmicas especiais devido ao seu excelente desempenho. Possuem dureza extremamente alta, com dureza Rockwell de HRA80-90, perdendo apenas para o diamante, o que as torna excelentes para aplicações que exigem alta resistência ao desgaste. Em testes de resistência ao desgaste, a resistência das cerâmicas de alumina é 266 vezes maior que a do aço manganês e 171,5 vezes maior que a do ferro fundido com alto teor de cromo. Sob as mesmas condições de trabalho, podem prolongar a vida útil dos equipamentos em pelo menos dez vezes.
A densidade da cerâmica de alumina é de aproximadamente 3,8 g/cm³, apenas metade da densidade do aço, reduzindo significativamente a carga sobre os equipamentos. Além disso, apresenta excelente estabilidade química, resistindo à corrosão por substâncias como ácidos e álcalis fortes, o que lhe confere ampla aplicação em ambientes corrosivos, como na indústria química. Sua resistência a altas temperaturas também é notável, suportando temperaturas de até 1600 °C ou superiores, podendo ser utilizada como revestimento para fornos de alta temperatura e em materiais refratários.
(2) Campos de aplicação
Na área da engenharia mecânica, devido à sua alta dureza e resistência ao desgaste, a cerâmica de alumina é utilizada na fabricação de ferramentas de corte, rolamentos, vedações, etc. A velocidade de corte das ferramentas de cerâmica de alumina é superior à das ferramentas de metal duro convencionais, o que pode melhorar significativamente a eficiência do corte. As ferramentas de corte de cerâmica composta de Al₂O₃ também podem processar diversos materiais, como aço temperado e aço-liga.
Na área da eletrônica e energia elétrica, as cerâmicas de alumina são amplamente utilizadas. Elas possuem bom isolamento e condutividade térmica, podendo ser transformadas em substratos cerâmicos, wafers, filmes cerâmicos, cerâmicas transparentes e dispositivos isolantes, etc. Por exemplo, os substratos cerâmicos de alumina, com alta resistência mecânica, bom isolamento e alta propriedade de blindagem de luz, são frequentemente utilizados em substratos cerâmicos para fiação multicamadas, encapsulamento eletrônico e substratos para encapsulamento de alta densidade.
Na indústria química, a cerâmica de alumina pode ser usada para revestir reatores, tubulações, válvulas, etc. Graças à sua estabilidade química e resistência à corrosão, ela resiste à erosão causada por diversos meios químicos, garantindo a operação segura e estável da produção química.
Cerâmica de zircônia: propriedades e aplicações
(1) Características de desempenho
A cerâmica de zircônia, com zircônia (ZrO₂) como principal componente, apresenta excelente desempenho. Possui dureza relativamente alta, com dureza Mohs de 7 a 8, e apresenta ótimo desempenho em aplicações resistentes ao desgaste. Sob as mesmas condições de fricção, a perda por desgaste da cerâmica de zircônia é apenas um décimo daquela observada em materiais metálicos comuns.
Sua tenacidade também é notável, com uma resistência à fratura de 7 a 15 MPa・m¹/², muito superior à de cerâmicas comuns. Ela resiste eficazmente à propagação de trincas e não quebra facilmente. Sua resistência ao desgaste é excelente, mais de 200 vezes superior à do aço inoxidável, apresentando vantagens significativas em ambientes de alto desgaste.
A cerâmica de zircônia também possui boas propriedades isolantes. É um excelente isolante à temperatura ambiente e atende aos requisitos de isolamento nas áreas eletrônica e elétrica. Sua resistência a altas temperaturas também é notável, com um ponto de fusão de até 2700 °C, o que permite seu uso estável em ambientes de alta temperatura.
(2) Âmbito de aplicação
Na área de cerâmica estrutural, a zircônia é frequentemente utilizada na fabricação de ferramentas de corte, mancais, válvulas, etc. As ferramentas de corte em cerâmica de zircônia são afiadas e duráveis, com excelente desempenho de corte. Elas podem processar uma variedade de materiais difíceis de cortar e não reagem com alimentos, sendo utilizadas na fabricação de facas de mesa, bisturis cirúrgicos, etc. Os mancais em cerâmica de zircônia apresentam vantagens como alta resistência à temperatura, à corrosão e ao desgaste, sendo amplamente utilizados em equipamentos de alta velocidade e alta precisão.
Em termos de cerâmicas funcionais, a zircônia pode ser utilizada na fabricação de sensores de oxigênio, eletrodos para células de combustível de óxido sólido, etc. Os sensores de oxigênio, aproveitando suas características de condução de íons de oxigênio, podem detectar de forma rápida e precisa o teor de oxigênio no ambiente, sendo amplamente utilizados em áreas como a detecção de emissões de escapamento de automóveis e o controle da combustão industrial.