As cerâmicas

Os primeiros artefatos cerâmicos foram feitos a partir de matérias-primas naturais. As primeiras civilizações descobriram que as argilas, quando em contato com a água, tornavam-se plásticas e podiam tornavam-ser moldadas. As peças então sofriam tornavam-secagem ao sol e depois eram endurecidas quando colocadas no fogo (NORTON, 1975).

Desde a década de quarenta, os materiais cerâmicos têm evoluído continuamente e ampliado o seu campo de utilização, sendo amplamente utilizados como componentes estruturais ou de engenharia e principalmente como componentes funcionais. Particularmente nas últimas duas décadas, têm-se observado, em nível mundial, altas taxas de crescimento de mercado para os produtos cerâmicos avançados.

Atualmente, os materiais cerâmicos têm desempenhado um relevante papel devido à interface dura que inicialmente interage com o projétil, sendo o primeiro elemento efetivo de resistência do conjunto de soluções de engenharia que forma um sistema de blindagem (CARDOSO, 2005).

A função da cerâmica na blindagem compósita é, devido a sua elevada dureza, erodir a ponta do projétil, reduzindo o seu poder de penetração. O emprego dos tecidos de fibras poliméricas tem como finalidade principal evitar a propagação de estilhaços e, em alguns casos, desempenhar uma função estrutural e de proteção. O encapsulamento da blindagem evita a projeção de estilhaços de cerâmica, aumentando a vida útil do material. Devido à fragilidade dos materiais cerâmicos, as blindagens compósitas precisam ser destacáveis, ou seja, devem ser de fácil adaptação à estrutura básica quando usada em veículo blindado, para que possam ser substituídas rapidamente, quando necessário (SOUZA; THAUMATURGO, 2002).

A alta resistência ao calor apresentada pelos cerâmicos, aliada a sua elevada dureza que resulta da natureza das suas ligações químicas, tem justificado sua utilização em blindagens (CARDOSO, 2005). Os cerâmicos mais utilizados são:

b) carbeto de boro;

c) carbeto de silício; e

d)carbeto de titânio.

a) A alumina (Al2O3) ou óxido de alumínio tem recebido uma atenção especial devido

a sua ampla variedade de aplicações em diversos segmentos industriais. O óxido de alumínio ocorre em pequena proporção na natureza como componente de muitas rochas e minerais. A alumina é obtida principalmente pelo processo conhecido como Bayer. Através desse processo, pode ser produzida com pureza superior a 99%, apresentando dureza 9 na escala Mohs (OLIVEIRA, 1995).

Algumas cerâmicas não óxidas apresentam elevado desempenho balístico e baixa massa específica, entretanto os custos dos pós e processamento são elevados. Dentre as cerâmicas, a alumina é um dos materiais de blindagem que apresenta as melhores relações custo-benefício. Cerâmicas de alumina com diversas composições têm sido investigadas em estudos balísticos (YOSHIMURA, 2006).

A sinterização de alumina é objeto de vários estudos com a finalidade de produzir peça com massa específica próxima da teórica e microestrutura homogênea, proporcionando maior flexibilidade de aplicações. A alumina pura é comumente sinterizada ao ar em temperaturas que variam de 1350ºC a 1700ºC. Entretanto, a temperatura de sinterização depende da aplicação específica e características desejadas, e de parâmetros como tamanho médio de partícula inicial, adição de aditivos e do processo de conformação como prensagem isostática a quente ou prensagem a quente (OLIVEIRA, 1995).

A alumina vem sendo constantemente estudada com o objetivo de aprimorar as técnicas de purificação, ou melhor, suas propriedades mecânicas. Para melhorar sua resistência mecânica, tem sido estudada a introdução de partículas de outros materiais, como carbeto de silício (SiC) e carbeto de boro (B4C), na forma de partículas isoladas (OLIVEIRA, 1995).

A alumina possui elevado ponto de fusão e por isso é utilizada pela indústria de refratários na fabricação de revestimentos de fornos siderúrgicos e metalúrgicos. Além disso, é isolante elétrico, tem elevada dureza e alta resistência à abrasão e, por esse motivo, é usada na produção de cerâmicas especiais. É um material cerâmico que se apresenta em diversas

formas alotrópicas (estruturais), sendo a mais estável a forma α -Al₂O₃ ou corundum. Esse

material é usado em diversas aplicações industriais por apresentar alta dureza e estabilidade química (MACIEL et al., 2005).

Uma limitação na utilização da alumina é seu caráter higroscópico. Ela absorve umidade rapidamente, apresentando um ganho de massa de aproximadamente 100 ppm em 60 segundos, quando exposta ao ar. Na área nuclear, um efeito indesejado causado por esse fator está relacionado com o hidrogênio liberado pelas moléculas de água, que em contato com o tubo de revestimento de zircalloy, fragiliza o revestimento, comprometendo sua integridade (OLIVEIRA, 1995).

b) Os minérios de boro encontram-se sob a forma de boratos de cálcio, sódio e

magnésio e como ácido bórico. A maior reserva de minérios de boro está localizada nos Estados Unidos da América (Califórnia). O boro elementar é bastante difícil de ser obtido, pois é altamente reativo e necessita de elevadas temperaturas para sua redução, além de propiciar a formação de compostos de boro com alta estabilidade difíceis de serem separados do boro elementar (OLIVEIRA, 1995).

O composto B₄C foi descoberto em 1858, mas apenas em 1883 Joly e Moissan,

prepararam e identificaram os compostos B₃C e B₆C, respectivamente. Em 1934 Ridgeway

sugeriu a fórmula estequiométrica B₄C (COSENTINO, 2006).

Dentre os compostos de boro, o carbeto de boro (B4C) tem se destacado como um dos materiais cerâmicos mais promissores no uso de blindagem aeronáutica e pessoal, devido a sua baixa massa específica, alta resistência à compressão, alta rigidez e estabilidade química e térmica (TORRES, 2005). Pertence ao grupo de materiais não ferrosos, apresenta alta dureza e ponto de fusão elevado devido a fortes ligações químicas covalentes entre os átomos de boro e carbono. É mais abrasivo que materiais como o carbeto de silício (SiC) (OLIVEIRA,1995).

O carbeto de boro é um pó preto utilizado como matéria-prima na fabricação de

cerâmicas, já que apresenta elevada dureza (inferior somente ao diamante) e alta estabilidade térmica (ponto de fusão em torno de 2500ºC). A massa específica não é muito elevada (2,5 g

cm^-3) e é extremamente inerte do ponto de vista químico. Essas características são explicadas

pela forte ligação covalente existente na molécula e pelo arranjo cristalino do carbeto de boro (BALAKRISHANARAJAN; PANCHARATANA; HOFFMANN, 2007).

A predominância das ligações covalentes no B₄C, por um lado, conferem grandes

propriedades para aplicações de alto desempenho, por outro dificultam enormemente o seu processamento, que exige o emprego de pressão e altas temperaturas, sob atmosfera

controlada. Diversas metodologias para ativar a sinterização do B₄C têm sido pesquisadas, de

o auxílio de pressão e altas temperaturas. A estratégia principal dessas metodologias consiste no emprego de agentes sinterizantes ou aditivos (COSENTINO, 2006).

Os produtos do carbeto de boro são fabricados a partir da prensagem a quente ou

sinterização. Existem muitos métodos de obtenção do B₄C, tais como:

• Redução carbotérmica a partir de compostos de boro (B2O3, H3BO3, Na2B4O7);

• Reação direta do carbono com boro;

• Redução térmica do B₂O₃ na presença de magnésio e carbono a 1000-1200 ºc;

e

• Redução do BCl3 com metano.

A redução carbotérmica do ácido bórico à temperatura de 1200ºC é o processo mais usado pela indústria para produção de carbeto de boro em pó em vista do menor custo de produção (MULLER, 2008).

O emprego de blindagens cerâmicas como o carbeto de boro (B4C), difundiu-se pelas forças armadas de muitos países, devido ao nível de proteção aliada à baixa massa específica, o tornando-se um material de emprego militar básico para os soldados (CASTRO, 1989).

c) O carbeto de silício é um material cerâmico sintético obtido em forno elétrico de

resistência a partir de uma mistura de areia de sílica e coque, que apresenta massa específica relativamente baixa, alta dureza, elevada estabilidade térmica e boa condutividade térmica,

resultando em boa resistência ao desgaste e ao choque térmico (SANTOS et al., 2008). É

reconhecidamente um material cerâmico de grande importância devido a uma combinação de características como condutividade térmica e elétrica, alta resistência ao impacto (MARINS, 2008).

Devido as suas propriedades físico-químicas, o carbeto de silício tem ampla aplicação em diversas áreas tecnológica, como na formulação de abrasivos, peças mecânicas, eletrônicas e materiais cerâmicos (PINHEIRO; CARNEIRO; SILVA, 2007).

A característica mais interessante do carbeto de silício é o seu politipismo, isto é, a formação de um grande número de modificações estruturais para uma mesma composição

(IZHEVSKYI et al., 2000).

A rota de fabricação de um pó cerâmico irá determinar suas características principais, entre elas tamanho, forma e distribuição de partículas, pureza e cristalinidade. O carbeto de silício tem sido obtido desde o século XIX por redução carbotérmica da sílica, procedimento denominado processo Acheson. Esse método de síntese consiste em misturar areia de sílica

com carvão (ou coque de petróleo), fazendo passar corrente elétrica entre grandes eletrodos de

carbono que se situam em extremidades opostas. No processo Acheson, obtém-se o carbeto de

silício na forma de grandes blocos que necessitam ser cominuídos para que se obtenha o pó com reduzido tamanho de partícula. O tipo e o tempo de moagem adotados definirão a distribuição granulométrica do pó resultante. Além disso, impurezas como o oxigênio reduzem a qualidade do pó obtido (BELTRÃO, 2005).

Carbeto de silício, produzido a partir do quartzo e do carbono em temperaturas na faixa de 2000 a 2300°C, é um dos mais importantes materiais cerâmicos para as modernas

aplicações industriais (BROEKAERT et al., 1989).

Nos últimos anos, tem-se buscado o entendimento de materiais à base de carbeto de silício tanto com densificação elevada (no qual está concentrado o maior número de estudos) quanto poroso, com aplicação especialmente em materiais resistentes ao choque térmico e filtração em altas temperaturas. Esses estudos se tornam mais complexos devido a vários obstáculos que vão desde a pureza do pó de partida à correta seleção do tipo e quantidade de aditivos empregados, uma vez que carbeto de silício sem aditivos não densifica (BELTRÃO, 2005).

A fim de melhorar a densificação de cerâmicas de SiC e as suas propriedades, geralmente se utilizam aditivos de sinterização que têm por finalidade proporcionar a formação de uma fase líquida, favorecendo a densificação.

O crescimento das aplicações desses materiais modernos nos diversos campos tecnológicos e científicos aumenta a demanda pelo controle das propriedades, que estão

diretamente correlacionadas com o teor de impurezas (BÖGERSHAUSEN et al., 1997).

A remoção de impurezas resultantes do processo de sinterização é realizada mediante a lavagem com ácido fluorídrico, em temperatura ambiente. Existem outros métodos de obtenção de carbeto de silício, como a decomposição térmica de organosilanos, como CH3SiCl3 ou (CH3)4Si, e a conversão química de polímeros organometálicos. Apesar de haver uma variedade de rotas para a síntese do carbeto de silício, o processo Acheson ainda é o mais

utilizado, produzindo-se a fase alfa carbeto de silício (α -SiC) em temperaturas mais altas

(2000 – 2600ºC) ou a fase beta carbeto de silício (β -SiC) em menores temperaturas (1500 –

2000ºC) (BELTRÃO, 2005).

Devido ao seu caráter refratário, o carbeto de silício é amplamente usado como material na construção de máquinas, turbinas, sistemas de transferência de calor, reatores nucleares e de fusão, semicondutores, na camada de proteção térmica das naves espaciais e numa série de outras aplicações especiais (BALAT; BERJOAN, 2000).

Dentre as famílias das cerâmicas estruturais, poucos apresentam tão boas propriedades quanto o carbeto de silício (SiC). As propriedades singulares do carbeto de silício permitem a sua utilização, com sucesso, como sede de selos mecânicos, tubos para sistemas trocadores de calor, aletas para turbinas a gás, sistemas de conversão de energia em altas temperaturas, ferramentas para usinagem e pós abrasivos, entre outras aplicações (BELTRÃO, 2005).

d) O carbeto de titânio é o mais forte carbeto metálico conhecido, com baixa massa

específica, com condutividades elétrica e térmica relativamente altas; é também muito estável. Por essas propriedades, o carbeto de titânio tem um grande interesse comercial (GONÇALVES; GRAÇA; CAIRO, 2006).

O carbeto de titânio e diboreto de titânio parecem superar os outros cerâmicos. A

dureza elevada, associada a um peso específico relativamente baixo, faz com que o diboreto de titânio seja muito usado para blindagens (SASSO, 2008).

Os compósitos baseados em titânio são os que têm melhor combinação de elevada força específica, rigidez e boa resistência. A resistência em altas temperaturas e o módulo das ligas de titânio podem ser melhorados por adição de reforço, como fibras de carbeto de silício. Os compósitos de matriz de titânio poderiam reduzir potencialmente o peso estrutural de componentes aeronáuticos, possibilitando ainda o trabalho em altas temperaturas. Por outro lado, esses materiais têm um elevado custo de fabricação (GONÇALVES; GRAÇA; CAIRO, 2006).

A utilização do diboreto de titânio implica uma redução de 25% em peso com relação à alumina, para um mesmo nível de proteção balística, sendo que a alumina tem uma redução de cerca de 30% do peso da estrutura quando comparada ao aço (CARDOSO, 2005).

Já as ligas de titânio (metálicas), aplicados inicialmente na aeronáutica militar (na produção de peças estruturais), atualmente são também utilizadas para fabricação de implantes cirúrgicos, retentores químicos e componentes de equipamentos navais e químicos, além de corpos de compressores e válvulas (ORÉFICE; PEREIRA; MANSUR, 2006).

Como se pode observar, nos últimos anos, foi grande desenvolvimento da pesquisa e da inovação na utilização de novos materiais para a confecção de equipamentos de blindagem pessoal. Contudo, essa mesma evolução não foi observada quando analisamos às adequações das dimensões e formatos desses equipamentos visando o conforto do usuário. Isso pode gerar muitos problemas que vão desde o uso incorreto do equipamento, que limita o potencial de blindagem e gera uma falsa sensação de segurança, predispondo o usuário a maiores riscos, causando dores de cabeça e até ao acarretamento de doenças funcionais.

Como professor de uma escola de formação miltar, tenho ouvido, ao longo dos anos, vários relatos de incômodos diversos percebidos pelos usuários de equipamentos de blindagem pessoal, em especial, dos capacetes. Isso nos motivou a desenvolver esse estudo voltado para a concepção relativa às dimensões e formato dos capacetes levando em conta os princípios da ergonomia.