Uma nova cerâmica chinesa pode realmente dobrar como metal

Oct 04, 2023

NiseriN/iStock

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Pesquisadores chineses criaram a primeira substância cerâmica do mundo que pode ser flexionada como metal. Este desenvolvimento, se for verdade, poderia melhorar as articulações artificiais e o desempenho do motor.

Antes dessa descoberta, acreditava-se que a flexibilidade e a resistência de uma cerâmica eram opostas e que uma pioraria se a outra melhorasse.

Chen Kexin, um cientista de materiais que liderou a pesquisa, diz que o novo material é a primeira vez que os cientistas tornaram mais forte e mais leve ao mesmo tempo. Tem a dureza da cerâmica e a flexibilidade do metal.

"Esta cerâmica pode trazer revoluções tecnológicas para muitas indústrias", disse Chen, professor do departamento de engenharia e ciências dos materiais da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.

Em 27 de outubro, Chen e associados da Universidade de Tsinghua publicaram suas descobertas na revista Science. Em um artigo de opinião na mesma edição da Science, Erkka Frankberg, da Universidade de Tampere, na Finlândia, disse que a descoberta "poderia levar a materiais mais leves e resistentes do que as melhores ligas metálicas de hoje".

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"Tem havido pesquisas sobre a plasticidade da cerâmica em todo o mundo desde que comecei minha carreira há 30 anos. Pode-se dizer que hoje finalmente alcançamos um avanço nesse tópico", disse Chen.

Os cientistas criaram nanopilares com duas formações cristalinas diferentes usando nitreto de silício. Quando uma força externa é colocada em uma estrutura de cristal, ela pode se transformar em outro tipo. Isso permite que o material dobre antes de voltar à sua forma original.

A substância pode ser particularmente vantajosa para a criação de motores aeronáuticos. Os materiais cerâmicos são duráveis, leves e tolerantes ao calor. Os motores de cerâmica flexíveis podem funcionar em temperaturas significativamente maiores e com uma eficiência de combustível muito melhor do que os motores de liga leve típicos.

Um motor de cerâmica poderia se mover muito mais rápido do que um motor de liga porque seria muito mais leve. O estresse em outros componentes é reduzido ao aliviar o motor.

A substância também pode ser aplicada em motores de carros. Um motor de cerâmica pode ter um tanque de refrigerante menor devido à resistência superior ao calor dos materiais cerâmicos às ligas. As temperaturas de combustão mais altas de um motor de cerâmica podem produzir mais impulso e menos poluição.

Cerâmicas feitas de nitreto de silício podem substituir o metal em substituições de articulações porque são biocompatíveis, leves e resistentes a bactérias. A maioria das articulações protéticas feitas de metal precisam ser substituídas a cada dez anos, o que é caro e doloroso.

"Juntas artificiais feitas com cerâmica podem durar uma vida inteira após a implantação", explicou Chen.

Chen também disse que o material pode ser usado para fazer rolamentos, uma parte essencial das turbinas eólicas que conectam o gerador às pás do ventilador. A durabilidade de cada mancal, que deve suportar várias toneladas de pressão durante o uso, afeta a vida útil geral do sistema.

"Nossa cerâmica de nitreto de silício flexível poderia ser usada para fazer rolamentos que duram mais, o que reduziria o custo da energia eólica em média", explica Chen.

"É possível produzir esse material cerâmico flexível em larga escala com base em nossos experimentos. Há uma óbvia vantagem de preço na área de equipamentos de ponta", acrescentou.

Ele deu o exemplo dos caros minerais de terras raras usados ​​para fazer as pás de turbina de cristal único usadas em motores a jato. Ao mesmo tempo, o nitreto de silício mais caro é vendido por cerca de US$ 200 o quilo.

"Continuaremos melhorando este material cerâmico com base em nosso trabalho atual. Uma vez que você abre uma porta, há um amplo mundo por trás", disse Chen.

Você pode ver o estudo por si mesmo na revista Science.

Resumo do estudo:

"A cerâmica ligada covalentemente exibe propriedades preeminentes - incluindo dureza, força, inércia química e resistência contra calor e corrosão - mas sua aplicação mais ampla é desafiadora devido à sua fragilidade à temperatura ambiente. Em contraste com os átomos em metais que podem deslizar ao longo dos planos de deslizamento para acomodar tensões, os átomos em cerâmicas ligadas covalentemente requerem quebra de ligação por causa das características fortes e direcionais de ligações covalentes. Isso eventualmente leva a falhas catastróficas no carregamento. Apresentamos uma abordagem para projetar nitreto de silício (Si3N4) ligado covalentemente deformável que apresenta uma estrutura bifásica com interfaces coerentes. A comutação de ligação sucessiva é realizada nas interfaces coerentes, o que facilita uma transformação de fase induzida por tensão e, eventualmente, gera deformabilidade plástica."