Os prós e contras da cerâmica avançada

Apesar da adoção lenta e em larga escala, cerâmicas avançadas e compósitos de matriz cerâmica estão encontrando espaço nas principais aplicações aeroespaciais e militares.

A cerâmica de hoje percorreu um longo caminho desde os fornos do mundo antigo. A cerâmica remonta a 24.000 anos. Sua aplicação, no entanto, continua a evoluir, especialmente para motores a jato militares e comerciais de alto desempenho, mísseis, naves espaciais e em componentes e outras aplicações, incluindo “alta dureza para componentes de blindagem e desgaste ou resistência a alta temperatura para aplicação refratária”, de acordo com ao Projeto de Máquinas.

Seja como cerâmica estrutural ou como parte de compósitos de matriz cerâmica, o material versátil está ajudando os fabricantes a aumentar a eficiência de combustível em motores de turbina a jato, eliminando a necessidade de tanto resfriamento quanto os motores tradicionais. A GE Aviation, por exemplo, afirma que seus CMCs são dois terços mais leves que o metal e possuem uma capacidade de temperatura 20% maior.

“As cerâmicas avançadas, que começaram a surgir após a descoberta do processo Bayer de refino de bauxita em 1887, têm propriedades mecânicas, térmicas e eletrônicas superiores às cerâmicas tradicionais”, escrevem Anthony Vicari e Anthony Schiavo, da Lux Research, em um artigo para MachineDesign.

Vários dos players mais importantes do setor também perceberam os benefícios da cerâmica no design aeroespacial. Da General Electric à United Technologies, Safran, Boeing e Rolls Royce, mais de 8.000 patentes para projetos aeroespaciais com cerâmica foram concedidas desde o início dos anos 80, segundo a American Machinist.

Cerâmica Avançada e Compósitos de Matriz Cerâmica:Leve o Bem com o Mal

Apesar dos benefícios, isso não significa necessariamente que a cerâmica seja o melhor para todos os materiais de design aeroespacial. Como os fabricantes também descobriram, a cerâmica tem desafios na usinagem e no custo.

As cerâmicas são embaladas com uma abundância de propriedades de isolamento térmico, tornando-as uma ferramenta eficaz quando combinadas com as altas temperaturas dentro das turbinas das aeronaves. Eles também são extremamente leves e não corrosivos, capazes de resistir ao contato com combustível de aviação e capazes de atingir velocidades mais rápidas e território expandido no espaço. Mas a modelagem e o processamento podem ser lentos e árduos.

“[Quando] as cerâmicas falham, elas o fazem repentina e catastroficamente, em vez de graciosamente como os metais”, observa a Lux Research. “Esta não é a única limitação:as cerâmicas estruturais têm resistência a temperaturas extremamente altas, o que significa que devem ser processadas por métodos de estado sólido lentos e intensivos em energia. Além disso, a alta dureza após a densificação torna a usinagem de cerâmicas um grande desafio.”

Para combater falhas catastróficas, o reforço de fibra é usado para ajudar a controlar a “propagação de rachaduras através da matriz e cargas de rolamento depois que o material começa a falhar”, observa a Lux Research, que permite que os CMCs “falhem gradualmente, mais como a falha dúctil do metal”.

A cerâmica pode ser difícil de usinar, mas não impossível

Os fabricantes sabem que o uso de cerâmica no design aeroespacial é uma maneira infalível de reduzir o peso de suas aeronaves usando um material durável.

“As mesmas propriedades que aumentam a força e a resistência à temperatura também tornam a usinagem mais difícil”, escreve Don Graham, gerente de educação e serviços técnicos da Seco Tools, em um artigo para Manufacturing Engineering. A dificuldade ocorre durante a usinagem final ou período de retificação, ressalta Graham, onde a integridade superficial da cerâmica é comprometida se cortada incorretamente. Além disso, a chance de ser comprometido aumenta ainda mais com uma alta taxa de remoção de material.

“Devido à natureza frágil, alta dureza, resistência à fluência e alta resistência, os métodos convencionais de usinagem, como torneamento, fresamento e furação, são difíceis de ter um bom desempenho em cerâmicas avançadas devido a trincas, fraturas frágeis e lascamento de bordas”, explicam Alexander Gorin e M. Mohan Reddy em seu artigo, Cerâmica Avançada:Alguns Desafios e Soluções em Usinagem por Métodos Convencionais.

A dificuldade de usinagem com cerâmica não pode ser totalmente eliminada, mas as oficinas encontraram maneiras de mitigar os desafios com a seleção adequada de ferramentas, de acordo com Graham. Ferramentas com arestas de corte vivas e inclinações positivas reduzirão as forças de corte, enquanto pastilhas com substratos de granulação fina são uma combinação perfeita para condições de corte abrasivas.

“O reforço de fibra superou amplamente as preocupações com a fragilidade, mas a usinabilidade sofre devido à baixa condutividade térmica, alta dureza e abrasividade dos CMCs”, escreve Graham. “Além dos métodos tradicionais de usinagem, os fabricantes estão experimentando formas alternativas de processar peças CMC, como jato de água, EDM, usinagem assistida por laser, retificação e o uso de ferramentas inseridas em PCBN.”

Quando a cerâmica é usinada incorretamente, a estrutura perde sua resistência 

Se uma peça de cerâmica for usinada incorretamente, a resistência da própria estrutura diminuirá muito. Quando o material compósito prensado é cortado com bordas irregulares, irregulares ou deformadas, toda a estrutura perderá uma quantidade significativa de rigidez.

“O material compósito prensado que é cortado de forma desigual ou deformado perde sua resistência, assim como o papelão ondulado vincado destrói sua rigidez”, escreve Graham. “Para usinagem de acabamento, as oficinas devem usar fresas de topo de alta velocidade projetadas especificamente para esses compósitos sanduíche.”

Ao usinar com cerâmica no design aeroespacial, é crucial evitar qualquer tipo de dobra ou desgaste. A solução, Graham aponta, é usar uma máquina de corte com arestas altamente afiadas e velocidades de corte rápidas.

A cerâmica é cara, mas as inovações são benéficas

Com tanta ênfase em um corte forte e eficiente na usinagem de cerâmica, não é de admirar que muitas oficinas contribuam com até 80% de suas despesas totais para manter a integridade de suas estruturas baseadas em cerâmica, de acordo com a Gorin/Reddy papel. Naturalmente, isso pode representar um problema ao manter um orçamento ou tentar alocar fundos para outros aspectos do trabalho.

“Os designers que quiserem usar as propriedades mecânicas superiores dos CMCs terão que pagar pelo privilégio”, observa a Lux Research no artigo MachineDesign. “As CMCs de grafite/fibra de carbono de custo mais baixo comandam preços de cerca de US$ 30/lb para formas simples, o que aumenta drasticamente com a usinagem. Matriz de carboneto de silício/fibra de carboneto de silício CMCs para aplicações de alta temperatura exigem fibras de alta pureza, com preços a partir de US$ 4.000/lb, levando a preços de pré-formados acima de US$ 9.000/lb.”

Especialistas observam que a adoção da cerâmica tem sido lenta e muitas vezes apoiada por subsídios e incentivos de financiamento do governo, então, para realmente decolar, o custo precisa cair. A Lux Research aponta que “tecnologias que reduzem o custo de intermediários, como fibras, podem abrir novos mercados, e os avanços no processamento podem tornar as peças CMC mais confiáveis, facilitando a qualificação”.

Sua oficina já fez usinagem com cerâmica? Se sim, quais desafios você e sua equipe enfrentaram? Nos informe!