cerâmica de carboneto de silício

As cerâmicas estruturais, também conhecidas como cerâmicas de engenharia, constituem uma classe de cerâmicas avançadas que exploram principalmente as propriedades mecânicas, térmicas, químicas e outras características dos materiais. As cerâmicas estruturais apresentam propriedades de resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência à oxidação e baixa deformação por fluência a altas temperaturas. São capazes de suportar ambientes de trabalho adversos para os quais os materiais metálicos e poliméricos não são adequados. São amplamente utilizadas na aviação, na indústria de maquinaria, na indústria automóvel, na metalurgia, na indústria química, na eletrónica e noutros setores, tendo-se tornado uma classe de materiais cerâmicos em rápido desenvolvimento. As cerâmicas estruturais incluem, principalmente, cerâmicas de óxido, cerâmicas de nitreto e cerâmicas de carboneto. A cerâmica de carboneto de silício é apresentada em pormenor a seguir. O carboneto de silício, vulgarmente conhecido como carborundo, é um composto típico de ligação covalente que quase não existe na natureza. Em 1890, quando Eword e G. Acheson pretendiam sintetizar diamante adicionando silício ao carbono como catalisador, prepararam o carboneto de silício. Atualmente, este material continua a ser objeto de estudo e desenvolvimento.

O carboneto de silício foi inicialmente utilizado devido à sua extrema dureza, podendo ser transformado em diversos tipos de rebolos, tecidos abrasivos, papel abrasivo e outros materiais abrasivos, sendo amplamente utilizado na indústria de processamento mecânico. Durante a Segunda Guerra Mundial, descobriu-se que a cerâmica de carboneto de silício também podia ser utilizada como agente redutor e elemento de aquecimento na produção de aço, o que promoveu o seu rápido desenvolvimento. Com a investigação mais aprofundada, verificou-se que possui muitas propriedades excelentes, tais como estabilidade a altas temperaturas, elevada condutividade térmica, resistência à corrosão ácida e alcalina, baixo coeficiente de expansão e boa resistência ao choque térmico.

Existem, essencialmente, duas formas cristalinas de carboneto de silício, nomeadamente: o β-SIC₄ cúbico e o α-SIC hexagonal. As unidades estruturais básicas da rede cristalina do carboneto de silício são os tetraedros SIC₄ e CSI₄, que se interpenetram. Os tetraedros partilham a mesma aresta para formar uma camada plana, e os vértices estão ligados à camada seguinte de tetraedros, formando uma estrutura tridimensional. Uma vez que diferentes sequências de empilhamento de tetraedros podem formar estruturas diferentes, foram identificadas, até ao momento, centenas de variantes. Geralmente, utilizam-se símbolos concisos e intuitivos, nomeadamente as letras C, H e R, para representar o tipo de rede, e o número de camadas contidas na célula unitária é utilizado para indicar a diferença. Embora as constantes de rede destes polimorfos sejam diferentes, não há qualquer alteração óbvia nas substâncias que os compõem. A cerâmica de carboneto de silício é um composto de valência típico, mas também existem alguns tipos iônicos. De acordo com cálculos teóricos, 78% da energia total da ligação SI-C pertence ao estado covalente e 22% pertence ao estado iónico. Devido ao pequeno tamanho dos átomos de S e C, ao comprimento da ligação e à forte covalência, a cerâmica de carboneto de silício apresenta uma série de características, tais como elevada dureza, certa resistência mecânica e dificuldade de sinterização.

O carboneto de silício é um composto estável típico com ligações covalentes. Além disso, o seu coeficiente de difusão é baixo, o que dificulta a sua densificação através de métodos de sinterização convencionais. É necessário adicionar alguns adjuvantes de sinterização para aumentar a energia superficial ou a área superficial e adotar processos especiais para obter cerâmicas densas de carboneto de silício. De acordo com o processo de sinterização, o carboneto de silício pode ser dividido em cerâmicas de carboneto de silício recristalizadas, cerâmicas de carboneto de silício sinterizadas por reação, cerâmicas de carboneto de silício sinterizadas sem pressão, cerâmicas de carboneto de silício sinterizadas por prensagem a quente, cerâmicas de carboneto de silício sinterizadas por prensagem isostática a quente a alta temperatura e carboneto de silício obtido por deposição química de vapor. As propriedades do carboneto de silício preparado através de vários processos são bastante diferentes; ou seja, o SIC preparado pelo mesmo processo apresenta um desempenho inferior devido às diferentes matérias-primas e aditivos utilizados.