A tecnologia atual requer cerâmicas contemporâneas com melhores propriedades mecânicas, térmicas e químicas. Por sua vez, as cerâmicas de sialon e nitreto de silício são duras, resistentes ao desgaste e termicamente estáveis. A combinação de nitreto de silício e alumina confere ao sialon tenacidade à fratura e resistência à oxidação. A baixa expansão térmica e a elevada condutividade térmica do nitreto de silício são ideais para aplicações a altas temperaturas. Os setores aeroespacial, automóvel e eletrónico utilizam estas cerâmicas para fabricar melhores componentes de motores, ferramentas de corte e equipamentos de processamento de semicondutores. Por conseguinte, aumentam o desempenho e a durabilidade em ambientes adversos.
O silício, o alumínio, o oxigénio e o azoto constituem as cerâmicas de sialon, materiais sofisticados. Os sialons são produzidos através da substituição de átomos de silício e azoto no nitreto de silício (Si₃N₄) por átomos de alumínio e oxigénio. Este processo melhora a tenacidade e a estabilidade térmica. Os sialons podem ser classificados como alfa (α), beta (β) ou de fase mista. Os sialons alfa, um material monofásico com grande dureza e resistência à oxidação a altas temperaturas, são utilizados em aplicações sujeitas a desgaste severo.
Os sialons beta são adequados para ferramentas de corte e componentes sujeitos a desgaste, graças à sua estrutura de grãos entrelaçados, tenacidade à fratura e resistência ao choque térmico. Os sialons de fase mista equilibram a dureza e a tenacidade para aplicações a altas temperaturas, combinando simultaneamente as características das fases alfa e beta.
As cerâmicas de nitreto de silício (Si₃N₄) de alto desempenho são à base de silício e azoto. Estas cerâmicas de nitreto de silício destacam-se pela elevada resistência, pelas propriedades de tenacidade à fratura, pela estabilidade térmica e pela resistência à oxidação. O nitreto de silício é obtido por ligação reativa, sinterização ou prensagem a quente. O pó de silício submetido a nitretação compacta-se, formando nitreto de silício ligado por reação (RBSN) poroso e resistente. O nitreto de silício sinterizado (SSN) produz cerâmicas densas com características mecânicas superiores para componentes de rolamentos e turbinas, através da sinterização de ítria ou alumina. O nitreto de silício prensado a quente (HPSN) é fabricado através da aplicação simultânea de calor e pressão. Trata-se de uma cerâmica densa com resistência mecânica e condutividade térmica invulgares, destinada a componentes de motores de alto desempenho e substratos eletrónicos.
Os corpos verdes são densificados, formando uma estrutura resistente, durante a sinterização da cerâmica de nitreto de silício (Si₃N₄). Para evitar a decomposição,a sinterizaçãosem pressão pode ser realizada em nitrogénio a temperaturas entre 1750 °C e 1850 °C. A sinterização sob pressão de gás (GPD) aumenta a densificação através da aplicação de pressão de gás azoto até 10 MPa. Permite reduzir as temperaturas de sinterização para 1700 °C e atingir uma densidade próxima da teórica. A prensagem isostática a quente (HIP) melhora as propriedades mecânicas através da combinação de altas temperaturas (1600 °C-1800 °C) com pressão de gás isostática (100-200 MPa). A temperatura, a pressão e o ambiente de sinterização devem ser controlados para obter um melhor crescimento dos grãos, maior resistência mecânica e menor porosidade.
Na sinterização de cerâmicas de β′-sialon, existem semelhanças com o nitreto de silício, mas também diferenças. Embora ambas utilizem sinterização a alta temperatura, os sialons podem necessitar de Y₂O₃ e MgO para formar fases líquidas e aumentar a densificação. Os aditivos podem reduzir a temperatura de sinterização para 1600 °C-1750 °C e gerar uma fase líquida transitória. Esta fase dissolve e reprecipita os grãos, promovendo o crescimento de uma microestrutura homogénea. O processo de sinterização por dissolução-difusão-reprecipitação influencia o tamanho e a forma dos grãos. O controlo da microestrutura aumenta a tenacidade à fratura e a resistência ao desgaste. Consequentemente, torna os aditivos e as condições de sinterização essenciais para as cerâmicas de sialon de alto desempenho.
Aplicações Gerais
A elevada dureza, as propriedades de resistência ao desgaste e a estabilidade térmica tornam as cerâmicas de sialon e de nitreto de silício (Si₃N₄) ideais para ferramentas de corte e abrasivos. As cerâmicas de sialon mantêm as ferramentas de corte afiadas a altas velocidades e temperaturas. Consequentemente, minimizam a frequência de substituição das ferramentas. O nitreto de silício promove a produtividade na maquinagem de ferro fundido e aço duro a alta velocidade. As peças de motores automóveis e os turbocompressores necessitam destas cerâmicas. A sua baixa expansão térmica e a elevada resistência ao choque térmico garantem durabilidade em condições extremas. A elevada resistência ao desgaste, o baixo atrito e o aumento da vida útil melhoram o desempenho dos rolamentos e rolos de equipamentos industriais, reduzindo os custos de manutenção.
Devido à sua resistência ao choque térmico e aos agentes químicos, a cerâmica de sialon e de nitreto de silício (Si₃N₄) é capaz de lidar com metais não ferrosos fundidos. Em condições adversas, estes materiais resistem à quebra causada por flutuações bruscas de temperatura. As bainhas de termopares em cerâmica proporcionam controlo do processo através de medições de temperatura fiáveis. Os tubos ascendentes e os eixos dos rotores fabricados em sialon ou nitreto de silício limitam a contaminação e garantem o manuseamento seguro do metal fundido. A sua baixa molhabilidade pelo metal fundido e a elevada resistência mecânica reduzem o tempo de fundição e aumentam a eficiência.
As atividades relacionadas com metais não ferrosos fundidos podem envolver temperaturas superiores a 1000 °C e metais reativos que são altamente corrosivos. Tais condições aceleram a degradação da grafite e da alumina, o que implica substituições frequentes e um maior tempo de indisponibilidade. Estes ambientes também exigem materiais capazes de suportar ciclos térmicos rápidos e reações químicas intensas. São necessários novos materiais com maior estabilidade térmica, resistência à corrosão e resistência mecânica para garantir a eficiência e a vida útil dos componentes.
O setor dos metais não ferrosos fundidos beneficia das cerâmicas de sialon e de nitreto de silício. Em particular, as cerâmicas de sialon apresentam uma elevada resistência ao choque térmico, 17,37 ± 0,48 GPa e estabilidade química em situações extremas. As cerâmicas de nitreto de silício são duráveis sob tensão térmica graças aos seus baixos coeficientes de expansão térmica (3,27×10⁻⁶) °C) e às suas boas propriedades de tenacidade à fratura. Estas cerâmicas geram camadas de oxinitreto de silício que inibem a oxidação, ao contrário da grafite, que se oxida a altas temperaturas. Isto faz com que durem mais tempo e exijam menos cuidados do que os materiais convencionais.
As bainhas de termopar em nitreto de silício protegem os sensores de temperatura em banhos de metal fundido. Proporcionam leituras precisas e prolongam a vida útil dos sensores. Além disso, a resistência térmica e mecânica da cerâmica de sialon beneficia os tubos de subida. Estes são fundamentais na fundição sob baixa pressão, mantendo o desempenho e a forma a altas temperaturas, reduzindo as falhas de fundição e aumentando a eficiência da produção. Os eixos de rotor de nitreto de silício utilizados na refinação de alumínio estão constantemente expostos ao metal fundido e a fluxos corrosivos, resistindo à oxidação e ao desgaste. Reduzem as despesas com reparações e melhoram a fiabilidade do processo.
Os mais recentes avanços na sinterização de cerâmicas de sialon e nitreto de silício aperfeiçoam os aditivos e auxiliares, visando melhores características do material. Os óxidos de terras raras, incluindo a ítria e a itérbia, promovem a densificação e a uniformidade microestrutural. Estes óxidos favorecem o desenvolvimento de fases nos limites de grão e reduzem a temperatura de sinterização, proporcionando maior tenacidade à fratura e estabilidade térmica. As melhorias na sinterização sem pressão e na sinterização por plasma de faísca (SPS) proporcionam um controlo preciso da microestrutura. Consequentemente, isto pode resultar em tamanhos de grão ultrafinos, inferiores a 200 nm, nas cerâmicas. Períodos de sinterização mais curtos reduzem a formação de grãos e aumentam a dureza e a resistência ao desgaste.
O silício e a cerâmica de nitreto de silício (Si₃N₄) estão a ser utilizados em aplicações biomédicas e eletrónicas. A biocompatibilidade e as propriedades antibacterianas do nitreto de silício tornam-no um implante biomédico mais adequado para a fusão espinhal e para implantes dentários. Devido à sua elevada condutividade térmica (até 85 W/m•K) e ao seu isolamento elétrico, estas cerâmicas são utilizadas em componentes eletrónicos de alta frequência e alta temperatura. A sua resistência ao choque térmico e ao desgaste mecânico reforça a durabilidade e o desempenho dos componentes em pás de turbinas de alta eficiência e substratos de células solares, que a indústria das energias renováveis está a investigar. A sua adaptabilidade torna-as candidatas atraentes para desempenhar papéis importantes em tecnologias inovadoras. Por conseguinte, prevê-se um grande progresso nestas aplicações inovadoras.
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