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Opinião
Investigadores da UA estudam novos métodos de fabrico em cerâmica
No caminho da sinterização de cerâmicos à temperatura ambiente
Materiais são o tema da conferência que vai decorrer na UA de 9 a 12 de abril
Investigadores da Universidade de Aveiro investigam novos métodos de sinterização (consolidação a temperaturas elevadas), processo este amplamente usado na manufatura de cerâmicos e metais a partir de matéria prima em pó. Estes novos métodos de sinterização, que operam com tempos e temperaturas muito reduzidos, comparativamente aos processos tradicionais, têm implicações relevantes no processo de manufatura, na economia energética, na sustentabilidade e abrem ainda possibilidades, até agora não existentes, a nível de compatibilização de materiais (por ex. manufatura conjunta de cerâmicos e polímeros).

E como se espera que estes novos processos mudem o mundo?

É natural a associação de cerâmicos a dureza, refractariedade e resistência ao desgaste e até à corrosão. Estas propriedades, que caracterizam a maioria dos cerâmicos e justificam a sua ampla utilização, desde as mais tradicionais (como porcelana e pavimentos) até às mais avançadas (como microelectrónica e biomateriais), são conferidas após um tratamento térmico a temperaturas elevadas (1300-1450ºC para a cozedura da porcelana) por períodos longos, para consolidação (densificação) da forma obtida após conformação. Esta etapa do processo é conhecida como sinterização e, até aos dias de hoje, faz parte integrante do processo de fabrico de um cerâmico. A sua importância é tal que está implícita na própria designação, já que cerâmico deriva de “Keramos”, palavra de origem grega e com raízes no sânscrito, que significa “substância queimada” ou “terra queimada”. Dependendo do cerâmico, assim será a temperatura e tempo de sinterização, mas sempre acima de 900 ºC e por várias horas. Desta forma, a sinterização, para além da sua importância como passo para densificar, assume uma relevância marcante do ponto de vista enérgico, chegando a ser responsável por mais de 75% dos custos associados ao fabrico de um cerâmico.

Perante esta realidade a diminuição do impacto da sinterização tem sido um objectivo prioritário desta indústria. As inúmeras iniciativas desenvolvidas por indústria e investigadores ao longo do tempo, desde alteração de composições, formatos e tecnologia (sinterização sob pressão, sinterização por microndas, entre outras), têm levado a melhorias consideráveis no processo e redução do impacto enérgico, mas na maioria dos casos, incrementais. Alterações radicais não foram até agora desenvolvidas.

Neste enquadramento, e pretendendo contribuir para reduções drásticas do impacto energético da sinterização, investigadores da Universidade de Aveiro exploram formas alternativas de densificação: FLASH e Sinterização a Frio (Cold Sintering).

A sinterização por FLASH insere-se no grupo das técnicas de sinterização assistidas por campo elétrico. Porquê FLASH? porque, efetivamente, a densificação dos materiais ocorre num FLASH, em menos de um minuto. O material é aquecido num forno e aplica-se uma corrente elétrica de elevada densidade. Apesar de os fenómenos responsáveis pelo FLASH não serem completamente conhecidos, julgam-se devidos a efeitos de Joule que causam fugas térmicas e avalanches de defeitos que aumentam rápida e dramaticamente a condutividade da amostra. A conjugação dos efeitos de temperatura e campo elétrico promove a diminuição do tempo de densificação de uma forma muito expressiva (de horas para menos de um minuto), mas também a diminuição acentuada da temperatura de sinterização. Os resultados até agora obtidos são indicadores de possíveis alterações drásticas na sinterização de cerâmicos.

Sinterização a Frio é um dos outros novos processos em estudo e que, através do uso de líquido transiente, permite completar o processo em tempos e temperaturas incrivelmente baixas, até agora não conseguidas por qualquer outro processo. Esta tecnologia baseia-se na adição de pequenas quantidades de água para ajudar no processo de transporte de matéria que densifica o material. À luz do atual conhecimento julga-se que ocorre um primeiro passo de dissolução, redução da energia de superfície das partículas, depois sob combinação adequada de pressão e temperatura ocorre difusão do material dissolvido através do liquido, seguido de precipitação localizada que contribui para a eliminação da porosidade e compactação do material. Porque a Sinterização a Frio ocorre num intervalo de temperaturas entre a temperatura ambiente e 200ºC, comparativamente à sinterização convencional (>900ºC), para além de uma redução drástica do consumo energético, e consequente diminuição de custos, abre-se uma miríade de possibilidades para manufatura de novos materiais e combinações de materiais, designadamente multicamadas de materiais de natureza diferente (cerâmicos, metais e polímeros). Prevê-se assim uma radical transformação no processo de manufatura de cerâmicos e a possibilidade de desenvolvimento de sistemas com propriedades únicas.

Paula Maria Vilarinho

Ricardo Serrazina

Ana Maria Senos

Maria Elizabete Costa

Anna Wlodarkiewicz

(Dezembro de 2017)

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