Cientistas da Faculdade de Engenharia da Universidade de Purdue, nos Estados Unidos, desenvolveram e validaram um método patenteável que pode ampliar o uso industrial do plástico cerâmico, fazendo com que seja mais deformável à temperatura ambiente. Plasticidade ou deformabilidade plástica é a capacidade de um material ser moldado em uma forma específica sem quebrar. Tipicamente, cerâmicas têm essa característica muito limitada.
Haiyan Wang e Xinghang Zhang, professores de engenharia, lideraram a equipe que conseguiu melhorar a deformabilidade plástica do material introduzindo características específicas em cerâmicas quebradiças a altas temperaturas."Essa estratégia pode notavelmente aprimorar a deformabilidade plástica da cerâmica à temperatura ambiente e mantém a promessa de introduzir ductilidade, ou a capacidade de ser moldada quase como líquido, na cerâmica em um futuro próximo", afirmou Zhang, em nota.
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 em indústrias aeroespaciais, de transportes, usinas de energia e manufatura. Também têm aplicação em rolamentos em 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, eles resistem ao desgaste e à corrosão, isolam contra calor e eletricidade e têm pontos de fusão mais altos do que os metais. No entanto, são quebradiços à temperatura ambiente e se dobram apenas quando muito aquecidos. Wang disse que a cerâmica tem poucos pontos defeituosos — chamados de discordâncias —, que fragilizam.
Zhang destacou que, em contraste, os materiais metálicos são mais maleáveis devido à sua capacidade de formar uma alta densidade de discordâncias, que são móveis em metais à temperatura ambiente, melhorando sua deformabilidade. Assim, a maneira encontrada pelos pesquisadores para ampliar a plasticidade da cerâmica é criar pontos defeituosos.
A equipe de Purdue introduziu discordâncias em materiais cerâmicos durante a deformação em altas temperaturas. Uma vez resfriadas, as amostras de cerâmica exibiram maior plasticidade à temperatura ambiente. "A técnica é mais amplamente aplicável a uma gama de cerâmicas do que o método de sinterização flash, uma vez que nem todos os materiais cerâmicos podem ser processados por sinterização flash", frisou 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, irá colaborar com a indústria em demonstrações em larga escala da abordagem em diferentes situações, com apoio do Escritório de Pesquisa Naval dos EUA.
Testar o material cerâmico
- Temperatura específica em que ocorre uma mudança na estrutura de um material.
- Os revestimentos de barreira térmica (TBCs) são utilizados em motores de turbina a gás para suportar altas temperaturas e melhorar a eficiência. No entanto, eles podem falhar devido ao estresse térmico gerado pela transição de fase da camada cerâmica. Para avaliar esse problema de forma precisa, 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 sob 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 entender e prevenir falhas em TBCs, essenciais para motores de alta performance.
- Observar diretamente a transição de fase em revestimentos cerâmicos é desafiador, mas crucial para entender suas propriedades. O estresse térmico, causado por essa transição, é uma das principais razões para falhas nos revestimentos. Mengdi Gan, um dos autores do estudo, destaca a falta de métodos precisos para medir essa questão, especialmente em ambientes de alta temperatura.
- Os resultados do estudo feito com camadas cerâmicas mostraram variações significativas no estresse térmico próximo 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 TBCs para obter sistemas de baixa tensão térmica”, frisaram os autores, em nota.
Sinterização flash
A sinterização flash é uma das formas de produzir a cerâmica. É como se uma grande quantidade de pó de cerâmica fosse aquecida muito rápido, mas não o suficiente para derreter completamente. Assim, as pequenas partículas começam a grudar umas nas outras, formando uma peça sólida com muitos poros. Esse processo produz peças cerâmicas fortes em pouco tempo.
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