Cientistas da Faculdade de Engenharia da Universidade Purdue, nos Estados Unidos, desenvolveram e validaram um método patenteável que pode ampliar o uso industrial do plástico cerâmico, tornando-o mais deformável à temperatura ambiente. Plasticidade ou deformabilidade plástica é a capacidade de um material ser moldado em uma forma específica sem quebrar. Normalmente, a cerâmica tem esta característica muito limitada.
Haiyan Wang e Xinghang Zhang, professores de engenharia, lideraram a equipe que conseguiu melhorar a deformabilidade plástica do material através da introdução de características específicas em cerâmicas quebradiças de alta temperatura. “Esta estratégia pode melhorar notavelmente a deformabilidade plástica da cerâmica à temperatura ambiente e mantém a promessa de introduzir ductilidade, ou a capacidade de ser moldada quase como um líquido, em cerâmica num futuro próximo”, disse Zhang em comunicado.
A pesquisa foi publicada recentemente na revista científica Science Advances. A abordagem complementa estudos anteriores. “Nem todos os materiais cerâmicos podem ser processados pelo método de sinterização flash”, observou Wang. “O novo método pode ser aplicado a quase todos os materiais cerâmicos”.
Essas cerâmicas são usadas como materiais estruturais nas indústrias aeroespacial, de transporte, de usinas de energia e de manufatura. Eles também têm aplicações em rolamentos de motores e máquinas, capacitores, materiais isolantes elétricos, eletrodos em baterias e células de combustível e revestimentos de barreira térmica em máquinas de alta temperatura.
Os materiais estudados pelos cientistas são mecânica e quimicamente fortes, resistem ao desgaste e à corrosão, isolam contra o calor e a eletricidade e têm pontos de fusão mais elevados do que os metais. No entanto, eles são frágeis à temperatura ambiente e só dobram quando muito aquecidos. Wang disse que a cerâmica tem poucos pontos defeituosos – chamados deslocamentos – que a tornam frágil.
Zhang destacou que, por outro lado, os materiais metálicos são mais maleáveis devido à sua capacidade de formar uma alta densidade de discordâncias, que são móveis nos metais à temperatura ambiente, melhorando sua deformabilidade. Assim, a forma encontrada pelos pesquisadores para aumentar a plasticidade da cerâmica é criando pontos defeituosos.
A equipe de Purdue introduziu discordâncias em materiais cerâmicos durante a deformação em altas temperaturas. Depois de resfriadas, as amostras cerâmicas apresentaram maior plasticidade à temperatura ambiente. “A técnica é mais amplamente aplicável a uma variedade de cerâmicas do que o método de sinterização flash, já que nem todos os materiais cerâmicos podem ser processados por sinterização flash”, disse Wang.
A técnica foi testada e validada em laboratório em diversos sistemas cerâmicos e pilares cerâmicos de diferentes dimensões, mostrando seu potencial inovador. A equipe de pesquisa, incluindo Wang, Zhang e R. Edwin Garcia, professor de engenharia de materiais, e seus alunos de pós-graduação, colaborará com a indústria em demonstrações em larga escala da abordagem em diferentes situações, com o apoio do Escritório de Pesquisa Naval dos EUA.
Teste o material cerâmico
- Temperatura específica na qual ocorre uma mudança na estrutura de um material.
- Revestimentos de barreira térmica (TBCs) são usados em motores de turbina a gás para suportar altas temperaturas e melhorar a eficiência. Porém, podem falhar devido ao estresse térmico gerado pela transição de fase da camada cerâmica. Para avaliar com precisão este problema, uma equipe de cientistas liderada por Xiaoyu Chong, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Kunming, na China, desenvolveu um método avançado que combina cálculos computacionais com simulações.
- O método permite visualizar e medir o estresse térmico em condições reais de operação, levando em consideração a transição de fase e outros fatores ambientais. O estudo, publicado no Journal of Advanced Ceramic, é um passo para compreender e prevenir falhas em TBCs, essenciais para motores de alto desempenho.
- Observar diretamente a transição de fase em revestimentos cerâmicos é desafiador, mas crucial para a compreensão de suas propriedades. O estresse térmico, causado por esta transição, é uma das principais razões para falhas no revestimento. Mengdi Gan, um dos autores do estudo, destaca a falta de métodos precisos para medir esta questão, especialmente em ambientes de alta temperatura.
- Os resultados do estudo realizado com camadas cerâmicas mostraram variações significativas nas tensões térmicas próximas à temperatura de transição de fase. “Essa abordagem facilita a previsão de mecanismos de falha e fornece orientação teórica para o projeto reverso de materiais TBC para obtenção de sistemas de baixa tensão térmica”, destacaram os autores, em nota.
Sinterização instantânea
A sinterização flash é uma das formas de produzir cerâmica. É como se uma grande quantidade de pó cerâmico fosse aquecida muito rapidamente, mas não o suficiente para derreter completamente. Assim, as pequenas partículas começam a se unir, formando uma peça sólida e com muitos poros. Este processo produz peças cerâmicas fortes em pouco tempo.