Os componentes cerâmicos de alumina, com suas excelentes propriedades, como alta dureza, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e bom isolamento, são amplamente utilizados nas áreas de eletrônica, medicina, aeroespacial e outras. De componentes eletrônicos de precisão a peças mecânicas em ambientes agressivos, os componentes cerâmicos de alumina estão presentes em todos os lugares. No entanto, a simples adição de água ao pó de alumina e sua queima em alta temperatura não produz diretamente esses componentes cerâmicos de alto desempenho com excelentes propriedades. É aí que os aditivos desempenham um papel crucial.
A alumina pura possui um ponto de fusão de até 2050 °C, e a temperatura de sinterização geralmente precisa ser superior a 1600 °C. Isso não só leva a um alto consumo de energia, como também facilita a formação de grãos grosseiros e a degradação do desempenho. Além disso, a própria alumina é altamente quebradiça, e as cerâmicas sinterizadas diretamente são propensas a rachaduras, dificultando o atendimento aos requisitos de dispositivos de precisão. As funções dos aditivos são as seguintes:
① Redução da temperatura de sinterização (economia de energia e redução de custos);
② melhorar a densidade (reduzir os poros e aumentar a resistência);
③ otimização da estrutura do contorno de grão (melhorando a tenacidade e a resistência ao choque térmico);
④ regular as propriedades elétricas/térmicas (como isolamento e condutividade térmica).
Este artigo apresenta diversos aditivos de uso comum:
1. Fluxos: Reduzem a temperatura de sinterização e melhoram a densidade.
A alumina possui um alto ponto de fusão, e a sinterização direta não só consome muita energia, como também impõe requisitos extremamente elevados aos equipamentos. O surgimento dos fundentes resolveu esse problema de forma eficaz. Eles funcionam como um regulador de temperatura, reduzindo a temperatura de sinterização da cerâmica de alumina, tornando o processo mais eficiente e econômico em termos de energia.
(1) O dióxido de titânio (TiO₂) é um dos fundentes comuns. Durante o processo de sinterização, ele pode reagir com a alumina para formar um eutético, reduzindo assim a temperatura na qual a fase líquida aparece. Isso é semelhante à culinária, onde a adição de temperos especiais pode fazer com que os ingredientes atinjam o ponto ideal de cozimento mais rapidamente. O uso de dióxido de titânio como fundente não só reduz a temperatura de sinterização, como também melhora a dureza da cerâmica de alumina até certo ponto. Por exemplo, em algumas ferramentas de corte de cerâmica de alumina usadas em processos de corte, a adição de uma quantidade adequada de dióxido de titânio pode tornar as ferramentas mais resistentes ao desgaste, mantendo alta dureza e, assim, prolongando sua vida útil.
(2) O óxido de ítrio (Y₂O₃) também é um importante fundente. Ele pode inibir a transformação da fase cristalina da alumina em altas temperaturas, mantendo a estabilidade da estrutura cerâmica. Para produtos cerâmicos de alumina com requisitos extremamente elevados de estabilidade térmica, como as bases de componentes eletrônicos usados em ambientes de alta temperatura, a adição de óxido de ítrio pode conferir aos componentes cerâmicos boa resistência ao choque térmico, tornando-os menos propensos a rachaduras em ambientes com rápidas mudanças de temperatura.
(3) O óxido de cálcio (CaO) também tem o efeito de reduzir a temperatura de sinterização. Ele pode formar um eutético com a alumina, reduzindo o consumo de energia e prevenindo o crescimento excessivo de grãos, o que é favorável à obtenção de cerâmicas com estrutura de grãos finos. Cerâmicas com estrutura de grãos finos geralmente apresentam maior resistência e tenacidade. Em algumas peças de cerâmica de alumina que precisam suportar grandes forças externas, como componentes resistentes ao desgaste de equipamentos mecânicos, a adição de óxido de cálcio pode melhorar o desempenho das peças.
2. Agentes de reforço e tenacificação: Melhoram a resistência à fratura e reduzem a fragilidade.
Embora as cerâmicas de alumina possuam alta dureza, sua tenacidade é relativamente baixa, tornando-as propensas à fratura frágil quando submetidas a impactos externos. O surgimento de agentes de reforço e tenacificação é como aplicar uma camada de proteção aos componentes cerâmicos de alumina, o que pode aumentar efetivamente sua resistência e tenacidade.
O carbeto de silício (SiC) é um agente de reforço e tenacificação comumente utilizado. Suas partículas são distribuídas uniformemente na matriz de alumina. Quando o componente cerâmico é submetido a forças externas, as partículas de SiC podem dificultar a propagação de trincas. Isso é semelhante à colocação de obstáculos em uma estrada: quando uma trinca encontra essas partículas, ela muda sua direção de propagação, consumindo mais energia e tornando o componente cerâmico menos propenso à fratura. Em mancais de cerâmica de alumina utilizados em ambientes de alta carga, a adição de carbeto de silício pode melhorar significativamente a capacidade de carga e a vida útil dos mancais.
O nitreto de boro (BN) também pertence à família de agentes de reforço e tenacificação. Ele pode melhorar o desempenho de fricção de cerâmicas e aumentar sua resistência e tenacidade. Em alguns componentes de cerâmica de alumina que exigem bom desempenho de fricção, como anéis de vedação, a adição de nitreto de boro pode reduzir o atrito e o desgaste entre os componentes, melhorar a vedação e aumentar a resistência dos componentes, tornando-os mais duráveis. No entanto, se a quantidade adicionada exceder 10%, a dureza pode ser reduzida, sendo necessário equilibrar a lubrificação e a resistência.
3. Aditivos funcionais: Ajustam propriedades elétricas, térmicas ou ópticas.
Além de melhorar as propriedades básicas, os aditivos funcionais também podem conferir aos componentes cerâmicos de alumina propriedades únicas para atender às necessidades de diferentes áreas.
(1) Os óxidos de terras raras, como o lantânio e o cério, são excelentes para melhorar as propriedades elétricas. Em alguns componentes cerâmicos de alumina usados na área da eletrônica, como substratos cerâmicos para circuitos de alta frequência, a adição de óxidos de terras raras pode ajustar a constante dielétrica e a tangente de perda das cerâmicas, melhorar seu desempenho elétrico, torná-las mais adequadas para operar em ambientes de alta frequência e expandir seu escopo de aplicação na área da eletrônica.
(2) Os corantes são os agentes que adicionam cor aos componentes cerâmicos de alumina. Corantes como o óxido de cromo e o óxido de cobalto podem reagir com a alumina para produzir cerâmicas de diferentes cores. Em alguns produtos cerâmicos com requisitos decorativos, como utensílios de mesa e ornamentos decorativos, a adição de corantes pode tornar os componentes cerâmicos mais bonitos e diversificados, atendendo às necessidades estéticas de diferentes consumidores.
4. Aglutinantes e auxiliares de moldagem: Melhoram a fluidez do pó e a resistência da moldagem.
No processo de fabricação de componentes cerâmicos de alumina, os aglutinantes e auxiliares de moldagem desempenham um papel crucial. Eles são como um grupo de heróis silenciosos que transformam o pó de alumina em peças estruturais de diversos formatos.
Ligantes orgânicos, como o álcool polivinílico (PVA) e o poliacrilato, atuam como cola, unindo os pós de alumina durante a formação do corpo verde para conferir a este uma certa resistência para o processamento e sinterização subsequentes. Tomemos como exemplo a moldagem por fita: o PVA dispersa uniformemente os pós de alumina em um solvente, formando uma pasta com viscosidade e fluidez adequadas, que é então moldada em um filme verde através do processo de moldagem por fita. Após a secagem do filme verde, ligantes como o PVA mantêm sua forma e estrutura, evitando deformações durante o processamento subsequente.
Os auxiliares de moldagem incluem lubrificantes, dispersantes, etc. Os lubrificantes podem reduzir o atrito entre o pó e o molde, minimizar o desgaste do molde e garantir a densidade uniforme do corpo cru. Na prensagem a seco, a adição de uma quantidade adequada de lubrificante pode facilitar o preenchimento do molde pelo pó, melhorando a densidade do corpo cru. Os dispersantes, por sua vez, garantem a dispersão uniforme do pó na pasta para evitar aglomeração. Na moldagem por injeção, os dispersantes desempenham um papel particularmente importante, conferindo boa fluidez à pasta e facilitando sua injeção no molde para formar componentes cerâmicos de formato complexo.
Os aditivos desempenham um papel indispensável no processo de fabricação de componentes cerâmicos de alumina. Eles contribuem de forma abrangente para a produção desses componentes em diversos aspectos, desde a redução da temperatura de sinterização e o aumento do desempenho até a atribuição de propriedades únicas e a possibilidade de moldagem. Com o avanço contínuo da tecnologia, novos tipos de aditivos poderão surgir no futuro, ampliando as possibilidades de melhoria de desempenho e expansão das aplicações dos componentes cerâmicos de alumina.
