Espuma de carbeto de silício

A espuma de carbeto de silício é um material multiuso com inúmeras utilizações. Ela apresenta grande resistência à tração e condutividade elétrica, além de resistir à corrosão causada por ácidos e álcalis.

O SiC estruturado em espuma é um novo e inovador material de suporte de catalisador, que comprovadamente possui excelentes propriedades mecânicas e térmicas, além de alta porosidade e área de superfície. Esse material oferece várias vantagens em relação aos seus antecessores, como sílica, cerâmica de alumina e carvão ativado.

Alta porosidade

As cerâmicas de espuma apresentam estruturas de rede tridimensionais especiais e alta porosidade com densidade aparente relativamente baixa, o que as torna excelentes materiais para filtragem de líquidos corrosivos e poluentes ambientais, transferência de calor, absorção de energia e aplicações de resistência à pressão. Além disso, elas também podem servir como mídia de filtro em equipamentos de transporte, maquinário e aplicações de defesa nacional.

Há várias técnicas de fabricação para produzir cerâmicas porosas de carbeto de silício (SiC). Esses métodos incluem técnicas de réplica, métodos de modelo de sacrifício e métodos de formação de espuma; a formação de espuma normalmente emprega compostos orgânicos que se decompõem sem deixar resíduos durante a queima, como microesferas de poli(metacrilato de metila), como espaços reservados para formar parte da porosidade da cerâmica final.

As espumas de SiC de célula aberta produzidas são porosas, com uma porosidade média de 73,4 vol%, devido à presença de surfactantes que reduzem a tensão interfacial gás-líquido e evitam o afinamento e a ruptura das bolhas, além de terem uma impressionante resistência à flexão de até 1,6 MPa.

Para criar espumas de células abertas, o alilidridopolicarbosilano líquido foi reticulado com dimetilsulfeto de boro (BDMS, fonte de boro) para formar um policarbosilano sólido modificado com boro, que foi misturado em uma proporção de 20:80 com microesferas de PMMA para prensagem a quente antes de ser pirolisado a 1.000 ºC em argônio para formar espumas de SiC com poros e microestrutura definidos que foram identificados por meio de análise de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e medições de porosimetria de mercúrio.

Durabilidade em altas temperaturas

O carbeto de silício (SiC), comumente chamado de carborundum, é um composto químico extremamente duro que consiste em silício e carbono. De ocorrência natural como gema de moissanita, o SiC é produzido em massa na forma de pós e cristais para uso como material abrasivo devido às suas propriedades semicondutoras de amplo intervalo de banda e resistência a altas temperaturas.

Os abrasivos cerâmicos de célula aberta de espuma de SiC com porosidade superior a 80% e tamanhos de célula que variam de mícrons a milímetros são usados comercialmente em aplicações que vão desde a filtragem de metal fundido, queimadores radiantes, suportes de catalisadores, mobília de fornos e linhas de limpeza com acúmulo de dureza ou carepa de laminação. Os abrasivos de espuma cerâmica também são uma excelente solução para serviços de limpeza de linhas que têm dificuldade de alcançar materiais mais duros devido ao acúmulo de dureza ou de carepa de laminação.

As espumas com grupos Si-H são precursores pré-cerâmicos ideais, sendo combinadas com precursores de aerogel para criar a cerâmica final. Seus espectros de XRD e FTIR demonstram que esses grupos Si-H formaram ligações cruzadas com anéis aromáticos de divinil benzeno para garantir a estabilidade mecânica e formar compostos pré-cerâmicos que aderem a essa teoria.

Os abrasivos espumados têm uma extraordinária resistência à tração comparada à da alumina, com 280 MPa e 440 GPa, respectivamente, proporcionando resistência e durabilidade notáveis em aplicações de alta temperatura, nas quais outros materiais se degradam ou se deterioram facilmente. Os experimentos de fadiga térmica em espumas de Si-SiC sobre espumas de Al2O3 a 800 e 1.000 graus Celsius revelam essa vantagem, com menos macrofissuras se desenvolvendo nas superfícies de fratura como resultado dos testes de fadiga térmica em espumas de Si-SiC sobre espumas abrasivas de Al2O3 a 800 e 1.000 graus Celsius, os estudos de fadiga térmica fornecem evidências desse desempenho superior quando expostos a temperaturas extremas (800 e 1.000 graus Celsius, respectivamente). Os experimentos de fadiga térmica mostram que essa vantagem é a superioridade em relação ao Al2O3 em termos de resiliência; testes de fadiga térmica realizados em condições em que outros materiais se degradariam rapidamente; testes de fadiga térmica realizados em condições que comprovam seu uso em relação ao alumínio, em que outros materiais se degradariam ou se decomporiam facilmente quando submetidos a temperaturas (800 e 1.000 graus Celsius), com o aparecimento menos frequente de macrofissuras nas superfícies de fratura devido à exposição a temperaturas mais baixas.

Alta condutividade

O carbeto de silício é um material excepcional conhecido por sua resistência a ambientes químicos agressivos. Com uma densidade específica de 3,21 g/cm3, o carbeto de silício se destaca como um material mais denso do que a cerâmica, mas menos denso do que alguns metais. Além disso, esse material versátil apresenta boas características de moldabilidade e resistência à tração, o que permite que ele se adapte facilmente a várias aplicações.

Essa característica faz com que a fibra de carbono seja importante em diversas aplicações, incluindo aquelas que exigem durabilidade e resistência em altas temperaturas, com sua capacidade de resistir a danos físicos causados por impacto e pressão, bem como sua excepcional classificação de dureza de Mohs 9, o que lhe confere excelente resistência à abrasão - algo essencial quando usada para pigmentação de linhas.

As cerâmicas de espuma também apresentam altas condutividades térmicas em comparação com outros materiais cerâmicos, o que as torna especialmente úteis em aplicações que envolvem materiais de mudança de fase (PCMs). Suas células e ligamentos permitem a transferência efetiva de calor entre os fluidos que passam por ela, aumentando assim as taxas de acoplamento e, portanto, a eficiência.

As cerâmicas de espuma são conhecidas por sua condutividade elétrica. Essa qualidade vem de seu núcleo de carbono vítreo reticulado que foi envolto em carbeto de silício, complementando sua alta resistência mecânica e tolerância à temperatura. Além disso, os pigs de espuma Duocel (r) apresentam altas áreas de superfície que aceleram o fluxo de fluidos, ajudando a reduzir o tempo de inatividade da linha e os custos de limpeza; sua condutividade elétrica também permanece consistente em temperaturas mais altas.

Resistência à corrosão em alta temperatura

A espuma de carbeto de silício oferece excelente resistência à corrosão em altas temperaturas, o que a torna a escolha ideal de material para aplicações como sistemas de proteção térmica e racks de fornos/reatores. Isso se deve ao seu baixo coeficiente de expansão térmica, alta resistência mecânica e comportamento não deformante quando exposto a temperaturas elevadas. Além disso, sua estrutura de rede especial aumenta a área de superfície dentro dos poros, de modo a absorver mais moléculas de líquido e gás rapidamente, sem permitir que nenhuma delas flua livremente e cause contaminação.

Além disso, sua excelente moldabilidade e processamento com ferramentas de diamante o tornam ideal para a produção de peças complexas com grandes dimensões e formas intrincadas. Além disso, não sofre corrosão por ácidos e álcalis durante a filtragem de líquidos, o que evita depósitos em sua superfície de soluções ácidas e alcalinas e reduz drasticamente o tempo e os custos de manutenção dos sistemas que utilizam esse material.

A espuma de carbeto de silício apresenta um coeficiente de transferência de calor aprimorado devido à sua estrutura especial de rede espacial, o que a torna adequada para aplicações que incluem tratamento térmico de componentes eletrônicos, placas de fundo de leito fluidizado, umidificadores e caldeiras de água. Além disso, o material aumenta a eficiência da coleta de fumaça de óleo de motor diesel, o que o torna uma opção viável para coletores de escapamento.

Sinterização de baixa pressão

A sinterização da espuma cerâmica de carbeto de silício pode ser concluída sob pressão atmosférica sem a necessidade de alta temperatura ou atmosfera inerte, reduzindo significativamente os custos de produção das empresas. Além disso, essa espuma cerâmica não é facilmente corroída em ambientes ácidos ou alcalinos durante a filtragem de líquidos e, portanto, não polui o líquido metálico filtrado. Como resultado de suas características de design e de filtrabilidade, produtos de tamanho grande ou de formato complexo podem ser facilmente produzidos por meio desse método de sinterização.

Normalmente, as cerâmicas de nitreto de silício e SiAlON são sinterizadas sem pressão usando um forno a vácuo; no entanto, ao usar composições com poucos aditivos que liberam nitrogênio durante o aquecimento e a sinterização, ocorre a volatilização do nitrogênio; portanto, são necessárias aplicações de alta pressão para evitar efetivamente a volatilização durante o aquecimento e a sinterização.

Para enfrentar esses desafios, desenvolvemos a sinterização de baixa pressão (LPS). Essa técnica usa a pressão do gás atmosférico acima de um valor limite para evitar a perda de nitrogênio durante a sinterização e pode produzir densidades muito mais altas do que os métodos tradicionais.

O LPS também facilita ciclos rápidos de sinterização e produtos com formato próximo ao da rede, o que dá ao LPS uma vantagem sobre os métodos de ligação por reação usados atualmente para fabricar cerâmicas de carbeto de silício grandes e complexas. Além disso, esse processo permite que materiais diferentes sinterizem juntos mais prontamente, possibilitando a formação de novos compostos que poderiam aumentar as taxas de reciclagem por meio da coleta de resíduos que normalmente seriam jogados fora e da combinação com material cerâmico, criando novos compostos com propriedades exclusivas e desejáveis.

Filtragem de baixa pressão

Os filtros de espuma de cerâmica de carbeto de silício podem ser usados na filtragem de metal fundido para eliminar inclusões não metálicas do líquido de alumínio e purificá-lo, melhorando consideravelmente a qualidade da fundição, diminuindo as perdas por sucata e aumentando a eficiência da produção. Os filtros de espuma são fornecidos em três graus de porosidade: 10, 20 ou 30 ppi, dependendo de suas condições operacionais e dos efeitos de filtragem desejados. É fundamental que você selecione um filtro eficaz adequado a essas condições de operação para obter o máximo impacto de filtragem.

A espuma cerâmica oferece características superiores em comparação com outros materiais tradicionais usados para filtragem de metal fundido: maior porosidade, condutividade térmica, resistência mecânica, resistência à oxidação e resistência à corrosão. Além disso, suas superfícies irregulares contêm inúmeros microporos que criam uma intrincada estrutura de rede, expandindo consideravelmente a área de contato entre as fases. Com essas propriedades, a espuma de cerâmica de carbeto de silício está surgindo como o suporte de catalisador da próxima geração, substituindo os tradicionais suportes de catalisador de sílica, alumina e carvão ativado.

A cerâmica de espuma pode ser revestida com nanofios para ampliar suas funções e desempenho em aplicações de separação desafiadoras. Quando imerso em alumínio fundido, um filtro revestido com nanofios apresenta alta eficiência de coleta de íons, enquanto seus suportes de espuma de células abertas desenvolvem texturas semelhantes a cabelos para uma eficiência de coleta ainda maior. Além disso, os nanofios podem ser dispostos de modo a formar uma superfície de filtro ininterrupta para facilitar a filtragem de aerossol de alta eficiência e baixa pressão, ideal para uso em fornos industriais químicos, geradores de vapor, queimadores radiantes e queimadores adiabáticos de alta pressão, pois apresentam tamanho pequeno, operação com economia de combustível, bem como ampla faixa de regulagem de potência, combustão estável e baixas emissões de poluentes em comparação com seus equivalentes.