Cerâmicas Avançadas: Benefícios, Desafios e Aplicações Industriais

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

As cerâmicas de hoje percorreram um longo, longo caminho desde os fornos do mundo antigo. As cerâmicas remontam a 24.000 anos. Sua aplicação, no entanto, continua a evoluir, especialmente para motores a jato militares e comerciais de alta performance, mísseis, espaçonaves, e em peças de componentes e outras aplicações incluindo "alta dureza para componentes de blindagem e desgaste ou alta resistência a temperatura para aplicações refratárias", segundo a Machine Design.

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

"[C]erâmicas avançadas, que começaram a surgir após a descoberta do processo Bayer para refinar bauxita em 1887, têm propriedades mecânicas, térmicas e eletrônicas superiores comparadas às cerâmicas tradicionais", escrevem Anthony Vicari e Anthony Schiavo da Lux Research, em artigo para MachineDesign.

Vários dos maiores players da indústria perceberam os benefícios das cerâmicas no design aeroespacial. Da General Electric à United Technologies, Safran, Boeing e Rolls Royce, mais de 8.000 patentes para design aeroespacial com cerâmicas foram concedidas desde o início dos anos 1980, segundo American Machinist.

Cerâmicas Avançadas & Compósitos de Matriz Cerâmica: Pegue o Bom com o Ruim

Apesar dos benefícios, não significa necessariamente que cerâmicas sejam a solução definitiva para materiais de design aeroespacial. Como fabricantes também descobriram, cerâmicas têm desafios em usinagem e custo.

Cerâmicas são repletas de propriedades de isolamento térmico, tornando-as uma ferramenta eficaz quando emparelhadas com as altas temperaturas dentro de turbinas de aeronaves. São também extremamente leves e não corrosivas, capazes de suportar contato com combustível de jato e alcançar velocidades mais rápidas e território expandido no espaço. Mas moldagem e processamento podem ser lentos e árduos.

"[Q]uando cerâmicas falham, o fazem de forma súbita e catastrófica, em vez de graciosamente como metais", nota Lux Research. "Esta não é a única limitação: Cerâmicas estruturais têm resistência a temperatura extremamente alta, o que significa que devem ser processadas por métodos de estado sólido lentos e intensivos em energia. Além disso, alta dureza após densificação torna a usinagem de cerâmicas para dar forma um grande desafio."

Para contrabalancear falha catastrófica, reforço de fibra é usado para ajudar a controlar "propagação de trinca através da matriz e suportar cargas após o material começar a falhar", nota Lux Research, o que permite que CMCs "falhem gradualmente, mais como a falha dúctil de metal."

Cerâmicas Podem Ser Difíceis de Usinar, Mas Não Impossível

Fabricantes sabem que usar cerâmicas em design aeroespacial é uma forma certa de reduzir o peso de suas aeronaves enquanto usam um material durável.

"As mesmas propriedades que aumentam resistência e resistência a temperatura também tornam a usinagem mais difícil", escreve Don Graham, gerente de educação e serviços técnicos na Seco Tools, em artigo para Manufacturing Engineering. A dificuldade ocorre durante a usinagem final ou período de retificação, aponta Graham, onde a integridade superficial das cerâmicas é comprometida se cortado incorretamente. O mais, a chance de ser comprometido é aumentada ainda mais em alta taxa de remoção de material.

"Devido à natureza frágil, alta dureza, resistência a fluência e alta resistência, métodos convencionais de usinagem como torneamento, fresamento e furação são difíceis de realizar bem em cerâmicas avançadas por causa de trincas, fraturas frágeis e lascamento de aresta", explicam Alexander Gorin e M. Mohan Reddy em seu artigo, Cerâmicas Avançadas: Alguns Desafios e Soluções na Usinagem por Métodos Convencionais.

A dificuldade de usinar com cerâmicas não pode ser eliminada totalmente, mas oficinas encontraram formas de mitigar os desafios com seleção adequada de ferramenta, segundo Graham. Ferramentas com arestas de corte afiadas e ângulos de ataque positivos reduzirão forças de corte, enquanto inserts com substratos de grão fino são uma boa combinação para condições de corte abrasivas.

"Reforço de fibra superou amplamente preocupações de fragilidade, mas usinabilidade sofre devido à baixa condutividade térmica, alta dureza e abrasividade dos CMCs", escreve Graham. "Além dos métodos de usinagem tradicionais, fabricantes estão experimentando formas alternativas de processar peças CMC como jato de água, EDM, usinagem a laser assistida, retificação e uso de ferramentas com inserts PCBN."

Quando Cerâmicas São Usinadas Incorretamente, a Estrutura Perde Sua Resistência

Se uma peça de cerâmica é usinada incorretamente, a resistência da estrutura em si diminuirá grandemente. Quando material compósito sanduíche é cortado com arestas irregulares, desiguais ou deformadas, a estrutura inteira perderá uma quantidade significativa de rigidez.

"Material compósito sanduíche que é cortado irregularmente ou deformado perde sua resistência, muito como amassar papelão ondulado destrói sua rigidez", escreve Graham. "Para usinagem de acabamento, oficinas devem usar fresas de topo de alta velocidade especificamente projetadas para tais compósitos sanduíche."

Ao usinar com cerâmicas em design aeroespacial, é crucial evitar qualquer tipo de curvatura ou desfiamento. A solução, aponta Graham, é usar uma máquina de corte com arestas altamente afiadas e velocidades de corte rápidas.

Cerâmicas São Caras, Mas as Inovações São Benéficas

Com tanta ênfase em um corte forte e eficiente ao usinar cerâmicas, não é surpresa que muitas oficinas tenham sido conhecidas por contribuir até 80% de seus gastos gerais para manter a integridade de suas estruturas baseadas em cerâmicas, segundo o artigo Gorin/Reddy. Naturalmente, isso pode apresentar um problema ao manter orçamento ou tentar alocar fundos para outros aspectos do trabalho.

"[D]esigners que querem fazer uso das propriedades mecânicas superiores dos CMCs terão que pagar pelo privilégio", nota Lux Research no artigo MachineDesign. "Os CMCs de grafite/fibra de carbono de menor custo custam cerca de $30/lb para formas simples, o que aumenta dramaticamente com usinagem. CMCs de matriz de carbeto de silício/fibra de carbeto de silício para aplicações de alta temperatura exigem fibras de alta pureza, com preços começando acima de $4.000/lb, levando a preços de pré-forma acima de $9.000/lb."

Especialistas notam que adoção de cerâmicas tem sido lenta e frequentemente respaldada por subsídios e incentivos de financiamento governamental, então para realmente decolar, o custo precisa cair. Lux Research aponta que "tecnologias que reduzem o custo de intermediários como fibras podem desbloquear novos mercados, e avanços em processamento podem tornar peças CMC mais confiáveis, facilitando a qualificação."

Sua oficina já usinou com cerâmicas antes? Se sim, quais desafios você e sua equipe enfrentaram? Deixe-nos saber!