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Materiais que resistem a temperaturas de até 1500°C: Qual é o ingrediente secreto dos revestimentos de barreira térmica?
Com o avanço das tecnologias aeroespaciais e energéticas, os revestimentos de barreira térmica (TBCs) se tornaram um campo importante na ciência de materiais de alta temperatura. Esses sistemas de materiais são frequentemente aplicados em superfícies metálicas, especialmente em componentes que operam em ambientes de alta temperatura, como combustores e turbinas em turbinas a gás. Sua espessura pode variar de 100 mícrons a 2 milímetros e, como bons materiais de isolamento térmico, eles efetivamente estendem a vida útil dos componentes e sua resistência ao calor.
A principal função de um revestimento de barreira térmica é isolar o substrato metálico, permitindo que ele opere sob cargas térmicas extremas, maximizando assim as temperaturas operacionais sem danificar a estrutura subjacente.
Os revestimentos de barreira térmica conseguem manter uma diferença significativa de temperatura entre o componente e a superfície revestida, o que lhes permite operar em ambientes com temperaturas operacionais crescentes sem causar exposição térmica excessiva aos componentes estruturais. Isso reduz os efeitos da oxidação e da fadiga térmica, prolongando assim a vida útil do componente. À medida que aumenta a demanda por motores mais eficientes que possam operar em temperaturas mais altas, os requisitos de material para TBCs também estão se movendo em direção a pontos de fusão mais altos, menor condutividade térmica e melhor resistência à oxidação.
Estrutura e propriedades materiais de revestimentos de barreira térmica
Revestimentos de barreira térmica baseados em materiais cerâmicos geralmente consistem em quatro camadas: substrato metálico, camada de ligação metálica, camada de óxido termodinâmico (TGO) e camada superior cerâmica. Atualmente, a zircônia estabilizada (YSZ) é amplamente utilizada como camada superficial cerâmica, que tem condutividade térmica muito baixa, mas sofre mudanças de fase acima de 1200°C, induzindo rachaduras. No desenvolvimento de materiais baseados em YSZ, novos zirconatos de terras raras foram explorados como alternativas, mostrando bom desempenho acima de 1200°C, mas sua resistência a rachaduras é baixa.
Riscos e oportunidades coexistem. No passado, muitos novos materiais cerâmicos que podem operar em temperaturas extremamente altas foram desenvolvidos, o que abre caminho para o desenvolvimento de mais revestimentos de barreira térmica de alta eficiência no futuro.
Mecanismos de falha de revestimentos de barreira térmica
O mecanismo de falha do TBC envolve muitos fatores, mas há três mecanismos principais: o crescimento do óxido termicamente desenvolvido (TGO), o choque térmico e a sinterização da camada superficial. A formação de TGO induz estresse compressivo, que não corresponde à expansão térmica do substrato e leva ao início de fissuras. Quando submetidas a múltiplos ciclos de aquecimento e resfriamento, essas rachaduras podem se propagar por todo o revestimento, levando à falha eventual. Especialmente na operação de motores de aeronaves, o choque térmico causado por operações frequentes de partida e parada também é um dos principais motivos.
O projeto de revestimentos de barreira térmica precisa considerar a correspondência dos coeficientes de expansão térmica entre as camadas para prolongar a vida útil e reduzir a formação de rachaduras.
Aplicações de revestimentos de barreira térmica
Revestimentos de barreira térmica são amplamente utilizados nos setores automotivo e de aviação. Em automóveis, eles são usados para reduzir a perda de calor dos componentes do sistema de escapamento do motor e para reduzir o ruído e o calor no compartimento do motor. Na indústria aeroespacial, os TBCs são usados para proteger superligas à base de níquel e melhorar seu desempenho em ambientes de alta temperatura. O desenvolvimento de novas tecnologias permitiu que revestimentos cerâmicos fossem aplicados em materiais compósitos, o que não apenas protege os materiais, mas também melhora a resistência ao desgaste.
Conforme estudado por cientistas e engenheiros, os materiais e o design dos revestimentos de barreira térmica representam uma fronteira atual na ciência dos materiais. À medida que a tecnologia avança, espera-se que uma série de melhorias futuras alcancem seu potencial em ambientes mais extremos. No entanto, podemos encontrar o revestimento de barreira térmica perfeito para se adaptar às crescentes demandas e desafios tecnológicos?
