Vitrocerâmica - Glass-ceramic
Cerâmicas de vidro são materiais policristalinos produzidos através da cristalização controlada de vidro base. Os materiais vitrocerâmicos compartilham muitas propriedades com vidros e cerâmicas . As vitrocerâmicas têm uma fase amorfa e uma ou mais fases cristalinas e são produzidas por uma chamada "cristalização controlada" em contraste com uma cristalização espontânea, que normalmente não é desejada na fabricação de vidro. A vitrocerâmica tem a vantagem de fabricação do vidro, bem como as propriedades especiais da cerâmica. Quando usadas para vedação, algumas cerâmicas de vidro não requerem brasagem, mas podem suportar temperaturas de brasagem de até 700 ° C. Vitrocerâmicas geralmente têm entre 30% [m / m] e 90% [m / m] de cristalinidade e produzem uma variedade de materiais com propriedades interessantes como porosidade zero , alta resistência, tenacidade, translucidez ou opacidade , pigmentação , opalescência , baixa ou até mesmo expansão térmica negativa , estabilidade de alta temperatura, fluorescência , usinabilidade, ferromagnetismo , reabsorvibilidade ou alta durabilidade química, biocompatibilidade , bioatividade , condutividade iônica, supercondutividade , capacidades de isolamento, baixa constante dielétrica e perda, alta resistividade e tensão de ruptura. Essas propriedades podem ser ajustadas controlando a composição do vidro base e por tratamento térmico / cristalização controlada do vidro base. Na fabricação, as vitrocerâmicas são valorizadas por terem a resistência da cerâmica, mas as propriedades de vedação herméticas do vidro.
A maior parte das cerâmicas de vidro é produzida em duas etapas: Primeiro, um vidro é formado por um processo de fabricação de vidro. O vidro é resfriado e reaquecido em uma segunda etapa. Neste tratamento térmico, o vidro cristaliza parcialmente . Na maioria dos casos, os agentes de nucleação são adicionados à composição de base da vitrocerâmica. Esses agentes de nucleação auxiliam e controlam o processo de cristalização. Como geralmente não há prensagem e sinterização, as cerâmicas de vidro não têm poros, ao contrário das cerâmicas sinterizadas .
Existe uma grande variedade de sistemas de vitrocerâmica, por exemplo, o sistema Li 2 O × Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema LAS), o sistema MgO × Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema MAS), o ZnO × Al 2 O 3 × sistema n SiO 2 (sistema ZAS).
Nucleação e crescimento de cristal
A chave para a engenharia de um material vitrocerâmico é controlar a nucleação e o crescimento dos cristais no vidro base. A quantidade de cristalinidade irá variar dependendo da quantidade de núcleos presentes e do tempo e temperatura em que o material é aquecido. É importante entender os tipos de nucleação que ocorrem no material, seja ele homogêneo ou heterogêneo.
A nucleação homogênea é um processo resultante da instabilidade termodinâmica inerente de um material vítreo. Quando energia térmica suficiente é aplicada ao sistema, a fase vítrea metaestável começa a retornar ao estado cristalino de baixa energia. O termo "homogêneo" é usado aqui porque a formação dos núcleos vem da base do vidro, sem quaisquer segundas fases ou superfícies que promovam sua formação.
Nucleação heterogênea é um termo usado quando uma segunda fase ou "agente de nucleação" é introduzido no sistema. A presença de uma segunda fase ou superfície pode atuar como um catalisador para nucleação e é particularmente eficaz se houver epitaxia entre o núcleo e o substrato.
Cerâmica de vidro em aplicações médicas
As vitrocerâmicas são utilizadas em aplicações médicas devido à sua interação única, ou à falta dela, com o tecido do corpo humano. As biocerâmicas são normalmente colocadas nos seguintes grupos com base em sua biocompatibilidade: cerâmica biopassiva (bioinerte), bioativa ou reabsorvível.
As cerâmicas biopassivas (bioinertes) são, como o nome sugere, caracterizadas pela interação limitada do material com o tecido biológico circundante. Historicamente, esses foram os biomateriais de "primeira geração" usados como substitutos para tecidos ausentes ou danificados. Um problema resultante do uso de biomateriais inertes era a reação do corpo ao objeto estranho; verificou-se que ocorreria um fenômeno conhecido como "encapsulamento fibroso", em que os tecidos cresciam ao redor do implante na tentativa de isolar o objeto do resto do corpo. Ocasionalmente, isso causava vários problemas, como necrose ou sequestro do implante. Dois materiais bioinerte comumente usados são alumina (Al2O3) e zircônia (ZrO2).
Os materiais bioativos têm a capacidade de formar ligações e interfaces com os tecidos naturais. No caso dos implantes ósseos, duas propriedades conhecidas como osteocondução e osteoindução desempenham um papel importante no sucesso e na longevidade do implante. Osteocondução refere-se à capacidade de um material de permitir o crescimento ósseo na superfície e nos poros e canais do material. Osteoindução é um termo usado quando um material estimula a proliferação de células existentes, fazendo com que um novo osso cresça independentemente do implante. Em geral, a bioatividade de um material é resultado de uma reação química, tipicamente dissolução do material implantado. Cerâmicas de fosfato de cálcio e vidros bioativos são comumente usados como materiais bioativos, pois exibem esse comportamento de dissolução quando introduzidos no tecido vivo do corpo. Um objetivo de engenharia relacionado a esses materiais é que a taxa de dissolução do implante seja intimamente compatível com a taxa de crescimento do novo tecido, levando a um estado de equilíbrio dinâmico.
As cerâmicas reabsorvíveis são semelhantes às cerâmicas bioativas em sua interação com o corpo, mas a principal diferença está na extensão em que ocorre a dissolução. As cerâmicas reabsorvíveis devem se dissolver totalmente gradualmente, enquanto um novo tecido cresce em seu lugar. A arquitetura desses materiais tornou-se bastante complexa, com estruturas em forma de espuma sendo introduzidas para maximizar a área de interface entre o implante e o tecido corporal. Um problema que surge com o uso de materiais altamente porosos para implantes bioativos / reabsorvíveis é a baixa resistência mecânica, especialmente em áreas de suporte de carga, como os ossos das pernas. Um exemplo de um material reabsorvível que teve algum sucesso é o fosfato tricálcico (TCP), no entanto, ele também fica aquém em termos de resistência mecânica quando usado em áreas de alta tensão.
Sistema LAS
O sistema comercialmente mais importante é o sistema Li 2 O × Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema LAS). O sistema LAS refere-se principalmente a uma mistura de óxidos de lítio , silício e alumínio com componentes adicionais, por exemplo, agentes formadores de fase de vidro como Na 2 O, K 2 O e CaO e agentes de refino. Como agentes de nucleação, mais comumente, é usado o óxido de zircônio (IV) em combinação com o óxido de titânio (IV). Este importante sistema foi estudado primeiro e intensamente por Hummel e Smoke.
Após a cristalização, a fase de cristal dominante neste tipo de vitrocerâmica é uma solução sólida com alto teor de quartzo (HQ ss). Se a vitrocerâmica for submetida a um tratamento térmico mais intenso, este HQ ss se transforma em uma solução sólida de ceatita (K ss, às vezes erroneamente chamada de beta- espodumênio ). Essa transição é irreversível e reconstrutiva, o que significa que as ligações na rede cristalina são quebradas e novas arranjadas. No entanto, essas duas fases de cristal mostram uma estrutura muito semelhante à que Li poderia mostrar.
Uma propriedade interessante dessas vitrocerâmicas é sua durabilidade termomecânica. A vitrocerâmica do sistema LAS é um material mecanicamente forte e pode suportar mudanças de temperatura repetidas e rápidas de até 800–1000 ° C. A fase cristalina dominante da cerâmica de vidro LAS, HQ ss, tem um forte coeficiente negativo de expansão térmica (CTE), solução de ceatita sólida como ainda um CTE negativo, mas muito maior do que HQ ss. Esses CTEs negativos da fase cristalina contrastam com o CET positivo do vidro residual. O ajuste da proporção dessas fases oferece uma ampla gama de CTEs possíveis no compósito acabado. Principalmente para as aplicações de hoje, um CTE baixo ou mesmo zero é desejado. Também é possível um CTE negativo, o que significa que, ao contrário da maioria dos materiais quando aquecidos, tal vitrocerâmica se contrai. Em um determinado ponto, geralmente entre 60% [m / m] e 80% [m / m] de cristalinidade, os dois coeficientes se equilibram de tal forma que a vitrocerâmica como um todo tem um coeficiente de expansão térmica muito próximo de zero. Além disso, quando uma interface entre o material está sujeita à fadiga térmica , a cerâmica vítrea pode ser ajustada para corresponder ao coeficiente do material ao qual será ligada.
Originalmente desenvolvido para uso em espelhos e montagens de espelhos de telescópios astronômicos , os vidros cerâmicos LAS se tornaram conhecidos e entraram no mercado nacional por meio de seu uso em placas de vitrocerâmica , bem como utensílios de cozinha e assadeiras ou como refletores de alto desempenho para projetores digitais .
Compósitos de matriz cerâmica
Um uso particularmente notável de cerâmica de vidro é no processamento de compósitos de matriz de cerâmica . Para muitos compósitos de matriz cerâmica, as temperaturas e tempos de sinterização típicos não podem ser usados, uma vez que a degradação e corrosão das fibras constituintes se tornam mais problemáticas à medida que a temperatura e o tempo de sinterização aumentam. Um exemplo disso são as fibras de SiC, que podem começar a se degradar por meio da pirólise em temperaturas acima de 1470K. Uma solução para isso é usar a forma vítrea da cerâmica como matéria-prima de sinterização em vez da cerâmica, pois, ao contrário da cerâmica, os grânulos de vidro têm um ponto de amolecimento e geralmente fluirão a pressões e temperaturas muito mais baixas. Isso permite o uso de parâmetros de processamento menos extremos, tornando possível a produção de muitas novas combinações de matriz de fibra tecnologicamente importantes por sinterização.
Cooktops
A vitrocerâmica do LAS-System é um material mecanicamente forte e pode suportar mudanças de temperatura repetidas e rápidas. No entanto, não é totalmente inquebrável. Por ser um material frágil como o vidro e a cerâmica, ele pode ser quebrado. Houve casos em que os usuários relataram danos aos seus cooktops quando a superfície foi atingida por um objeto duro ou pontudo (como uma lata caindo de cima ou outros itens pesados).
O material tem um coeficiente de condução de calor muito baixo , o que significa que permanece frio fora da área de cozimento. Ele pode ser quase transparente (perda de 15 a 20% em um fogão típico) para a radiação nos comprimentos de onda do infravermelho .
Na faixa do visível, as vitrocerâmicas podem ser transparentes, translúcidas ou opacas e até mesmo coloridas por agentes corantes.
Hoje, existem dois tipos principais de fogões elétricos com placas de vitrocerâmica:
- Um fogão de vitrocerâmica usa bobinas de aquecimento radiante ou lâmpadas infravermelhas de halogênio como elementos de aquecimento. A superfície da placa de vitrocerâmica acima do queimador aquece, mas a superfície adjacente permanece fria devido ao baixo coeficiente de condução de calor do material.
- Um fogão de indução aquece o fundo de uma panela de metal diretamente por meio de indução eletromagnética .
Essa tecnologia não é inteiramente nova, já que as linhas de vitrocerâmica foram introduzidas pela primeira vez na década de 1970 usando as tampas da Corningware em vez do material mais durável usado hoje. Essas superfícies lisas de primeira geração eram problemáticas e só podiam ser usadas com panelas de fundo plano, pois o aquecimento era principalmente condutor em vez de radiativo.
Em comparação com os fogões de cozinha convencionais, as placas de vitrocerâmica são relativamente simples de limpar, devido à sua superfície plana. No entanto, as placas de vitrocerâmica podem ser arranhadas facilmente, portanto, tome cuidado para não deslizar as panelas sobre a superfície. Se comida com alto teor de açúcar (como geleia) derramar, nunca deve secar na superfície, caso contrário, poderão ocorrer danos.
Para obter melhores resultados e máxima transferência de calor, todas as panelas devem ter fundo plano e ter o mesmo tamanho da zona do queimador.
Variações de indústria e materiais
Algumas marcas conhecidas de cerâmica de vidro são Pyroceram , Ceran , Eurokera, Zerodur , Macor , Kedi e Kanger . A Nippon Electric Glass é um fabricante mundial predominante de cerâmica de vidro, cujos produtos relacionados nesta área incluem FireLite e NeoCeram, materiais de vidro cerâmico para aplicações arquitetônicas e de alta temperatura, respectivamente. Keralite , fabricado pela Vetrotech Saint-Gobain, é uma especialidade de vitrocerâmica com classificação de segurança contra incêndio e impacto para uso em aplicações classificadas contra incêndio. As vitrocerâmicas fabricadas na União Soviética / Rússia são conhecidas pelo nome de Sitall . Macor é um material vitrocerâmico tipo porcelana branco, inodoro e foi desenvolvido originalmente para minimizar a transferência de calor durante o vôo espacial tripulado pela Corning Inc. StellaShine , lançado em 2016 pela Nippon Electric Glass Co. , é um material vitrocerâmico resistente ao calor com uma resistência ao choque térmico de até 800 graus Celsius. Este foi desenvolvido como um complemento à linha de placas de fogão resistentes ao calor da Nippon , juntamente com materiais como Neoceram . KangerTech é um fabricante de cigarros eletrônicos que começou em Shenzen, China, que produz materiais cerâmicos de vidro e outras aplicações especiais de vidro endurecido, como tanques de modificação de vaporizador. A TGP (Technical Glass Products), é uma produtora de vitrocerâmica orientada para a segurança que continua a produzir produtos como FireLite, Fireframes e Pilkington Pyrostop.
A mesma classe de material também é usada nas panelas de vitrocerâmica Visions e CorningWare , permitindo que seja levada do freezer diretamente para o fogão ou forno sem risco de choque térmico, mantendo a aparência transparente das vidrarias.
História
A descoberta da cerâmica de vidro é creditada a um homem chamado Donald Stookey , um renomado cientista do vidro que trabalhou na Corning Inc. por 47 anos. A primeira iteração originou-se de um material de vidro, Fotoform, que também foi descoberto por Stookey enquanto ele procurava um material fotocondicionável para ser usado em telas de televisão. Logo após o início do Fotoform, o primeiro material cerâmico foi descoberto quando Stookey superaqueceu uma placa Fotoform em uma fornalha a 900 graus Celsius e encontrou uma placa opaca e branco leitosa dentro da fornalha, em vez da bagunça derretida que era esperada. Enquanto examinava o novo material, que Stookey batizou apropriadamente de Fotoceram , ele notou que era muito mais forte do que o Fotoform a partir do qual foi criado, pois sobreviveu a uma pequena queda no concreto.
No final da década de 1950, mais dois materiais vitrocerâmicos seriam desenvolvidos por Stookey , um deles usado como radome no cone do nariz dos mísseis, enquanto o outro levou à linha de utensílios de cozinha de consumo conhecidos como Corningware . Os executivos da Corning anunciaram a descoberta de Stookey do último "novo material básico", chamado Pyroceram, que foi apresentado como leve, durável, capaz de ser um isolante elétrico e ainda assim resistente a choques térmicos. Na época, havia apenas alguns materiais que ofereciam a combinação específica de características que a Pyroceram oferecia e o material foi lançado como a linha de cozinha Corningware em 7 de agosto de 1958.
Parte do sucesso que Pyroceram trouxe inspirou a Corning a se esforçar para fortalecer o vidro, que se tornou um esforço do diretor técnico da Corning intitulado Project Muscle. Um material de cerâmica vítrea menos conhecido, desenvolvido em 1962, chamado Chemcor (agora conhecido como Gorilla Glass ), foi produzido pela equipe de vidro da Corning devido ao esforço do Projeto Muscle. A Chemcor ainda seria usada para inovar a linha de produtos Pyroceram , pois em 1961 a Corning lançou o Centura Ware , uma nova linha de Pyroceram que era forrada com um laminado de vidro (inventado por John MacDowell ) e tratada com o processo Chemcor . Stookey continuou a avançar na descoberta das propriedades da cerâmica de vidro ao descobrir como tornar o material transparente em 1966. Embora a Corning não lançasse um produto com sua nova inovação, por medo de canibalizar as vendas do Pyrex , até o final 1970 sob o nome de Visions .
FireLite , um material vitrocerâmico transparente feito para uso combinado com portas resistentes ao fogo e outros materiais de segurança, foi lançado em 1988 pela Nippon Electric Glass . A vitrocerâmica com 5 mm de espessura é capaz de suportar a pressão de uma mangueira de incêndio após 20-90 minutos (dependendo do tipo de cerâmica usada) de calor em um forno, e ainda permite que 88% da luz visível seja transmitida através de sua superfície . Este produto ainda é amplamente utilizado e fabricado hoje por empresas como a TGP (Technical Glass Products), uma marca de cerâmica de vidro resistente ao fogo que faz parte do conglomerado da indústria de segurança Allegion .
Origens
Literatura
- McMillan PW, "The glass phase in glass-ceramics", Glass Technology, 1974, Vol. 15 (1), P. 5-15
- Bach H. (Editor), "Low Thermal expansion glass ceramics", Springer-Verlag (1995).
- Holanda, Wolfram e Beall, George H. Glass-Ceramic Technology. Wiley, 2002. ISBN 978-1-57498-107-0