Porquê usar carbeto de silício preto em placas de isolamento?

Porquê usar carbeto de silício preto em placas de isolamento?

O SiC preto foi escolhido pela sua combinação única de propriedades que abordam diretamente os desafios de um ambiente de alta temperatura.

1. Resistência excepcional ao choque térmico

Essa é a razão mais importante. O SiC apresenta uma  condutividade térmica muito elevada  (cerca de 120-140 W/m·K), o que pode parecer contraditório para uma placa isolante. No entanto, quando utilizado como agregado dentro de uma matriz isolante porosa, atua como uma rede de “vias térmicas”.

• Mecanismo:  Quando um dos lados da placa é aquecido rapidamente, as partículas de SiC distribuem a energia térmica por todo o material, evitando a acumulação de gradientes térmicos severos e as tensões resultantes que provocam fissuras. A matriz porosa envolvente proporciona ainda o isolamento térmico geral.

2. Alta resistência mecânica e dureza

• O SiC é um dos materiais mais duros disponíveis (dureza de Mohs ~9,5). A sua incorporação aumenta significativamente a resistência da placa:

  • Resistência à compressão a frio:  A placa suporta cargas pesadas à temperatura ambiente.

  • Resistência à abrasão:  A placa tem menor probabilidade de sofrer erosão devido a fluxos de gás ou contacto físico.

  • Resistência a altas temperaturas (módulo de rutura a quente):  Mantém a sua resistência a temperaturas nas quais outros materiais amoleceriam.

3. Elevada condutividade térmica (como vantagem estratégica)

Como referido, isto serve para  gerir  o calor, não apenas para o bloquear. Permite:

• Ciclos de aquecimento e arrefecimento mais rápidos sem danificar a placa.

• Distribuição de temperatura mais uniforme no interior do forno ou estufa.

4. Excelente refratariedade

• O SiC negro apresenta um elevado ponto de fusão (aproximadamente 2.730 °C ou 4.946 °F) e é estável em atmosferas inertes ou redutoras até cerca de 1.600 °C. Isto torna-o adequado para as aplicações de alta temperatura mais exigentes.

Principais Considerações e Desafios

A utilização do Black SiC não está isenta de desvantagens, que devem ser cuidadosamente geridas durante o fabrico e a aplicação.

1. Oxidação

• O problema:  Acima de aproximadamente 900ºC numa atmosfera oxidante (ar), o SiC começa a oxidar, formando uma camada de sílica (SiO₂) na superfície.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• As consequências:

  • A camada de SiO₂ pode levar à degradação gradual e ao enfraquecimento das partículas de SiC ao longo do tempo.

  • O processo de oxidação provoca uma ligeira expansão de volume, o que pode criar tensões internas.

• Mitigação:  Os fabricantes adicionam frequentemente antioxidantes (por exemplo, silício metálico) à mistura, que se oxidam preferencialmente, protegendo as partículas de SiC.

2. Custo

• O carboneto de silício negro é mais caro do que outros agregados refratários comuns, como a argila de sílex calcinada, a bauxite ou mesmo a alumina fundida branca. Isto aumenta o custo final da placa isolante.

3. Porosidade controlada para isolamento

• Como o SiC é denso e condutor, o fabricante deve projetar cuidadosamente o resto da estrutura da placa para manter uma baixa condutividade térmica. Isto é geralmente feito por meio de:

  • Utilizando cargas altamente porosas, como  bolhas de alumina  ou  esferas de mulita .

  • Incorporação de materiais orgânicos que se decompõem em partículas e deixam para trás bolsas de ar.

  • Criando uma estrutura de poros fina e de células fechadas.

Composição típica de uma placa isolante reforçada com SiC

Uma formulação típica poderia ser assim:

• 60-70%:  Bolhas de alumina / agregados de mulita (componente isolante primário)

• 15-25%:  Grânulos de carboneto de silício preto (agregado de reforço)

• 10-15%:  Pó de alumina reativa + argila (matriz de ligação)

• 1-3%:  Aditivos antioxidantes (ex.: pó de silício metálico)

• + Aglutinantes:  como fosfatos ou sílica coloidal, para manter a massa crua unida antes da cozedura.

Aplicações comuns

As placas contendo SiC preto são utilizadas nas áreas mais exigentes:

• Faces Quentes do Forno:  O revestimento interior diretamente exposto às chamas e a altas temperaturas.

• Tampas de carroças de forno:  A estrutura que suporta as peças num forno de rolos ou túnel, exigindo uma elevada resistência e capacidade de suportar choques térmicos.

• Blocos de queimadores:  Circundantes de queimadores de alta velocidade onde as flutuações de temperatura são extremas.

• Fornos de tratamento térmico:  Para processos que requerem ciclos rápidos.

• Isolamento de apoio:  instalado atrás de betões refratários densos para garantir a integridade estrutural.

Resumo: SiC preto vs. alternativas

Conclusão

O carboneto de silício preto é um aditivo premium que transforma uma placa de isolamento cerâmico padrão num produto de alto desempenho, durável e termicamente robusto.  A sua principal função é proporcionar uma resistência incomparável ao choque térmico e integridade estrutural em ambientes onde as rápidas mudanças de temperatura e o stress mecânico representam um desafio constante. Embora o seu custo e suscetibilidade à oxidação sejam desvantagens, os benefícios de desempenho em aplicações críticas tornam-no um material indispensável.