Em algumas situações determinados componentes podem sofrer variações de temperatura gigantescos e/ou recorrentes. É o caso de equipamentos que se encontram no espaço, onde as temperaturas variam de muito frias para tórridas, é o caso de produtos utilizados na fundição de metais, onde um material a temperatura ambiente pode entrar em contato em questão de segundos com metais às vezes a mais de 1500°C, é o caso de fogões e fornos, onde a temperatura varia bastante e com muita frequência. Em situações como essas, apresentar um baixo coeficiente de expansão térmica é vital para que um material possa ser empregado como matéria-prima do produto a ser desenvolvido. Assim sendo, hoje falaremos um pouco sobre um grupo de materiais extremamente versátil no que diz respeito a coeficientes de expansão térmica: as vitrocerâmicas – que podem apresentar não somente coeficientes extremamente pequenos, como também negativos.
Primeiramente, o que é o coeficiente de expansão térmica (CET) de um material ou substância?
Ao aquecermos um material, seus átomos ou moléculas ou aumentam de temperatura, ou usam a energia recebida para mudar de fase (seja de sólido para líquido, de uma estrutura cristalina para outra, etc). Essas alterações modificam as dimensões do material. Ao aumentar-se a temperatura de um material, a energia cinética de seus átomos/moléculas também aumenta, fazendo com que a amplitude dos movimentos feitos por esses pequenos componentes também cresça e eles precisem ocupar uma região maior no espaço do que faziam antes. Assim, por via de regra, um material expande ao aquecer-se e a intensidade com que isso ocorre é determinada por uma propriedade conhecida por coeficiente de expansão térmica.
Variação dimensional (delta L) é dependente do CET do material.
Em algumas situações, no entanto, pode acontecer de um aumento de temperatura provocar uma contração no material, como na famosa anomalia da água, em que ela contrai com o aumento de temperatura de 0 para 4°C. O mesmo acontece para alguns materiais vitrocerâmicos e nesse caso diz-se que o material ou substância possui um coeficiente de expansão térmico negativo.
Microestrutura da vitrocerâmica Macor, composta por cristais de mica em forma de agulha e matriz de fase vítrea. Fonte: Azo Materials
Materiais vitrocerâmicos são constituídos de uma ou mais fases cristalinas e fase vítrea residual e geralmente são produzidos a partir da cristalização de um vidro por ação de uma substância que provoca a nucleação de cristais (para mais informações, clique aqui). Algumas dessas fases cristalinas possuem coeficientes de expansão térmica extremamente negativos, como é o caso do quarzo-β ou do β-espodumênio, presentes em um sistema bastante utilizado de vitrocerâmicas, o LAS (LiO2 – Al2O3 – SiO2). Em contraste, a fase vítrea residual encontrada em vitrocerâmicas apresenta um CET positivo e bastante elevado, de forma que modificando as composições desses materiais é possível definir os percentuais de cada fase, e, assim, ter a possibilidade de atingir diversos valores finais de coeficiente de expansão térmica. Esses coeficientes podem ser negativos, positivos ou mesmo nulos para determinadas faixas de temperatura. Essa versatilidade é interessante não apenas pelas aplicações já mencionadas, mas também porque ao se juntar dois diferentes materiais eles devem ter variações dimensionais similares ao variar-se a temperatura, para que não se desprendam um do outro ou gerem tensões excessivas no componente final. Assim, é importante que se consiga produzir um material com CET semelhante ao que se quer unir.
Junção de dois materiais cerâmicos
As vitrocerâmicas de baixo CTE são as mais empregadas comercialmente, sendo usadas desde fogões a acessórios para telescópio e bocais de soldagem.
Achou interessante o fato de existirem materiais com coeficiente de expansão térmica negativo? Então você provavelmente gostará de ler sobre os metamateriais – materiais cujas propriedades desafiam as leis da natureza.
Referências:
A bright future for glass-ceramics (Edgar Zanotto);
BACH, Hans (Ed.). Low thermal expansion glass ceramics. Springer Science & Business Media, 2013.