.
Os pesquisadores descobriram uma maneira de tornar a cerâmica mais dura e resistente a rachaduras. Ao construir esses materiais usando uma mistura de átomos metálicos que possuem mais elétrons em sua camada externa, uma equipe liderada por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desbloqueou o potencial para permitir que a cerâmica lide com níveis mais elevados de força e estresse do que antes.
A cerâmica oferece muitas vantagens devido às suas propriedades notáveis, incluindo a capacidade de suportar temperaturas extremamente altas, resistir à corrosão e ao desgaste superficial e manter perfis leves. Essas propriedades os tornam adequados para uma variedade de aplicações, como componentes aeroespaciais e revestimentos protetores para motores e ferramentas de corte. No entanto, sua fraqueza sempre foi a fragilidade. Eles quebram facilmente sob estresse.
Mas agora, os investigadores encontraram uma solução que pode tornar a cerâmica mais difícil de quebrar. Eles publicaram seu trabalho recentemente em Avanços da Ciência.
O estudo, liderado pelo professor de nanoengenharia da UC San Diego, Kenneth Vecchio, centra-se em uma classe de cerâmica conhecida como carbonetos de alta entropia. Esses materiais possuem estruturas atômicas altamente desordenadas, compostas por átomos de carbono ligados a múltiplos elementos metálicos da quarta, quinta e sexta colunas da tabela periódica. Esses metais incluem titânio, nióbio e tungstênio, por exemplo. Os pesquisadores descobriram que a chave para aumentar a tenacidade da cerâmica estava no uso de metais da quinta e sexta colunas da tabela periódica, devido ao seu maior número de elétrons de valência.
Os elétrons de valência – aqueles que residem na camada mais externa de um átomo e se ligam a outros átomos – provaram ser um fator crucial. Ao usar metais com maior contagem de elétrons de valência, os pesquisadores melhoraram com sucesso a resistência do material à trinca quando submetido a cargas e tensões mecânicas.
“Esses elétrons extras são importantes porque efetivamente tornam o material cerâmico mais dúctil, o que significa que ele pode sofrer mais deformação antes de quebrar, semelhante a um metal”, disse Vecchio.
Para compreender melhor este efeito, o grupo de Vecchio colaborou com Davide Sangiovanni, professor de física teórica na Universidade de Linköping, na Suécia. Sangiovanni realizou as simulações computacionais e a equipe de Vecchio fabricou e testou experimentalmente os materiais.
A equipe investigou carbonetos de alta entropia apresentando várias combinações de cinco elementos metálicos. Cada combinação produziu uma concentração diferente de elétrons de valência no material.
Eles identificaram dois carbonetos de alta entropia que exibiam resistência excepcional à trinca sob carga ou tensão, graças às suas altas concentrações de elétrons de valência. Um deles era composto pelos metais vanádio, nióbio, tântalo, molibdênio e tungstênio. A outra variante substituiu o nióbio pelo cromo na mistura.
Sob carga ou tensão mecânica, esses materiais foram capazes de se deformar ou esticar, respectivamente, assemelhando-se ao comportamento dos metais, em vez da resposta frágil típica da cerâmica. À medida que esses materiais eram perfurados ou separados, as ligações começaram a se romper, formando aberturas do tamanho de átomos. Os elétrons de valência adicionais ao redor dos átomos metálicos foram então reorganizados para colmatar essas aberturas, formando novas ligações entre átomos metálicos vizinhos. Esse mecanismo preservou a estrutura do material ao redor das aberturas, inibindo efetivamente seu crescimento e formação de fissuras.
“Descobrimos que há uma transformação subjacente acontecendo em nanoescala, onde as ligações estão sendo reorganizadas para manter o material unido”, disse o co-autor do estudo Kevin Kaufmann, Ph.D. em nanoengenharia da UC San Diego. ex-aluno do laboratório de Vecchio. “Em vez de apenas se romper na superfície da fratura, o material se desgasta lentamente como uma corda faria ao ser puxada. Dessa forma, o material pode acomodar essa deformação que está ocorrendo e não falhar de maneira frágil.”
O desafio agora reside em aumentar a produção destas cerâmicas resistentes para aplicações comerciais. Isso poderia ajudar a transformar tecnologias que dependem de materiais cerâmicos de alto desempenho, desde componentes aeroespaciais até implantes biomédicos.
A nova resistência dessas cerâmicas também abre caminho para seu uso em aplicações extremas, como bordas de ataque para veículos hipersônicos. Cerâmicas mais resistentes poderiam servir como defesa de linha de frente para esses veículos, protegendo componentes vitais contra impactos de detritos e permitindo que os veículos sobrevivam melhor a voos supersônicos, explicou Vecchio.
“Ao abordar uma limitação de longa data da cerâmica, podemos expandir enormemente a sua utilização e criar materiais de próxima geração que têm o potencial de revolucionar a nossa sociedade”, disse Vecchio.
Este trabalho foi apoiado pelo Conselho de Pesquisa Sueco (concessões VR-2018-05973 e VR-2021-04426), Competence Center Functional Nanoscale Materials (concessão 2022-03071), Olle Engkvist Foundation, UC San Diego Department of NanoEngineering’s Materials Research Center, National Programa de Bolsas de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Defesa, Fundação ARCS (Capítulo de San Diego) e Grupo Oerlikon.
.
