Cerâmica ótica

Cerâmica óptica, materiais industriais avançados desenvolvidos para uso em aplicações ópticas.

Os materiais ópticos derivam sua utilidade de sua resposta à luz infravermelha, óptica e ultravioleta. Os materiais ópticos mais óbvios são os vidros, descritos no artigo vidro industrial, mas a cerâmica também foi desenvolvida para diversas aplicações ópticas. Este artigo examina várias dessas aplicações, passivas (por exemplo, janelas, radomes, envelopes de lâmpadas, pigmentos) e ativas (por exemplo, fósforos, lasers, componentes eletro-ópticos).

Dispositivos passivos

Janelas ópticas e infravermelhas

Em seu estado puro, a maioria das cerâmicas são isolantes com folgas de banda larga. Isso significa que existe uma grande lacuna de estados proibidos entre a energia dos níveis mais altos de elétrons cheios e a energia do próximo nível mais desocupado. Se esse intervalo de banda for maior que as energias ópticas da luz, essas cerâmicas serão opticamente transparentes (embora os pós e os compactos porosos dessas cerâmicas sejam brancos e opacos devido à dispersão da luz). Duas aplicações de cerâmica opticamente transparente são janelas para leitores de código de barras em supermercados e janelas de radome e laser infravermelho.

A safira (uma forma monocristal de óxido de alumínio, Al ₂ O ₃) tem sido usada em vitrines de caixas de supermercados. Combina transparência óptica com alta resistência a arranhões. Da mesma forma, cerâmicas policristalinas de cristal único ou transparentes a infravermelho, como cloreto de sódio (NaCl), cloreto de potássio dopado com rubídio (KCl), fluoreto de cálcio (CaF) e fluoreto de estrôncio (SrF ₂) foram usadas para radomes infravermelhos resistentes à erosão, janelas para detectores de infravermelho e janelas de laser de infravermelho. Esses materiais halogenetos policristalinos tendem a transmitir comprimentos de onda mais baixos que os óxidos, estendendo-se até a região infravermelha; no entanto, seus limites de grãos e porosidade dispersam a radiação. Portanto, eles são melhor utilizados como cristais únicos. Como tal, no entanto, os halogenetos não são suficientemente fortes para janelas grandes: eles podem se deformar plasticamente com seu próprio peso. Para fortalecê-los, os cristais únicos são tipicamente forjados a quente para induzir limites de grãos limpos e tamanhos de grãos grandes, que não diminuem significativamente a transmissão por infravermelho, mas permitem que o corpo resista à deformação. Como alternativa, o material de grão grande pode ser fundido por fusão.

Envelopes para lâmpadas

As lâmpadas de descarga elétrica, nas quais os gases fechados são energizados por uma tensão aplicada e, portanto, produzidas para brilhar, são fontes de luz extremamente eficientes, mas o calor e a corrosão envolvidos em sua operação levam a cerâmica óptica aos seus limites termoquímicos. Um grande avanço ocorreu em 1961, quando Robert Coble, da General Electric Company nos Estados Unidos, demonstrou que a alumina (um policristalino sintético, Al ₂ O ₃) podia ser sinterizada para densidade óptica e translucidez usando magnésia (óxido de magnésio, MgO) como auxiliar de sinterização. Essa tecnologia permitiu que a descarga de sódio extremamente quente na lâmpada de vapor de sódio de alta pressão fosse contida em um material refratário que também transmitisse sua luz. O plasma dentro do envelope interno da lâmpada de alumina atinge temperaturas de 1.200 ° C (2.200 ° F). A emissão de energia cobre quase todo o espectro visível, criando uma luz branca brilhante que reflete todas as cores - ao contrário da lâmpada de vapor de sódio de baixa pressão, cujo brilho âmbar é comum nos céus das grandes cidades.

Pigmentos

A indústria de cor ou pigmento de cerâmica é uma indústria tradicional de longa data. Os pigmentos ou manchas de cerâmica são feitos de compostos de óxido ou seleneto em combinação com elementos específicos de metais de transição ou terras raras. A absorção de certos comprimentos de onda da luz por essas espécies confere cores específicas ao composto. Por exemplo, aluminato de cobalto (CoAl ₂ O ₄) e silicato de cobalto (Co ₂ SiO ₄) são azuis; óxido de estanho-vanádio (conhecido como V-dopado SnO ₂) e óxido de zircónio-vanádio (ZrO dopado com V ₂) são de cor amarela; cromita de cobalto (CoCr ₂ O ₃) e granada de cromo (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) são verdes; e a hematita de cromo (CrFe ₂ O ₃) é preta. Uma cor vermelha verdadeira, indisponível em materiais de silicato de ocorrência natural, é encontrada em soluções sólidas de sulfeto de cádmio e seleneto de cádmio (CdS-CdSe).

Os pigmentos em pó são incorporados em corpos ou esmaltes cerâmicos, a fim de conferir cor ao material queimado. A estabilidade térmica e a inércia química durante a queima são considerações importantes.