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Aplicações Selecionadas para as Cerâmicas Avançadas
São tão diversos os produtos cerâmicos hoje utilizados em aplicações técnicas sofisticadas que fica difícil uma perfeita classificação deles. Geralmente esses materiais são individualmente projetados para servir a uma aplicação específica de modo a otimizar um conjunto particular de propriedades requeridas. Muitas dessas cerâmicas técnicas modernas exibem propriedades que nunca antes sonhadas pelos ceramistas do passado. Em geral, a maioria desses produtos sofisticados são feitos a partir de matéria prima de alta pureza (muitas delas sintéticas e por isso mesmo caras), geralmente utilizando novas técnicas de conformação, tratamento especiais de sinterização e freqüentemente requerem extensivos acabamentos e testes antes de serem colocados em uso. Para distinguir essas cerâmicas técnicas de cerâmicas mais tradicionais, o termo cerâmicas avançadas, e simplesmente novas cerâmicas têm sido usados. Uma listagem parcial das cerâmicas avançadas poderia incluir as cerâmicas estruturais de alta temperatura, as ferramentas de corte cerâmicas, os materiais para implantes de biocerâmicas, os revestimentos para o ônibus espacial ( e outros materiais que funcionam como barreiras térmicas aeroespaciais), blindagem cerâmica, materiais para janelas aeroespaciais, fibras óticas, dielétricos com alta permissividade para capacitores , materiais para selagem, substratos multicamadas, materiais eletro-óticos, cerâmicas supercondutores, combustíveis nucleares cerâmicos, uma ampla variedade de recobrimentos cerâmicos, eletrólitos sólidos para bateriais de alta temperatura, células à combustível, materiais magnéticos, materiais termistores, varistores, e assim por diante. Os compósitos de matriz cerâmica (também chamados de CMCs) têm se tornado mais comuns nos últimos tempos. Os materiais compósitos com matriz cerâmica reforçados com fibras, whiskers ou plaquetas representam uma área bastante promissora. Um relatório recente do Centro de Análise de Informação em Cerâmica do Departamento de Defesa Americano previu que o mercado americano para compósitos de matriz cerâmica vai crescer a uma taxa anual de quase 15% e atingir os U$ 500 milhões por volta de ano 2000. Enquanto que as cerâmicas tradicionais são usualmente desenvolvidas em laboratórios de pesquisa e desenvolvimento industriais, uma grande variedade de cerâmicas avançadas resultaram de trabalho fundamental feito em laboratórios de universidades e governamentais. Esses desenvolvimentos ocorreram mundialmente, com o Japão na liderança por várias instâncias. Uma medida da importância das cerâmicas avançadas para a moderna tecnologia é indicada pela existência de organizações tais como Associação de Cerâmicas Avançadas dos Estados Unidos ( United States Advanced Ceramic Association), e "Electronics, Nuclear Engineering Ceramics", e "Glass and Optical Materials Division of the American Ceramic Society". O mercado mundial para cerâmicas utilizadas em eletrônicas, automóveis, dispositivos óticos integrados, sistemas avançados de energia, biocerâmicas, e indústrias aeroespaciais está previsto ser de cerca de U$ 18.8 bilhões por volta do ano 2000. Além dos amplos espectros de propriedades úteis , existem motivos chaves para o sucesso da aplicação de cerâmicas avançadas. Um desses motivos é o desenvolvimento de novos níveis de compreensão da ciência do processamento e fabricação de tais materiais que permitem fazer produtos com requisitos para tolerância de tamanho bastante extremos e com alto grau de reprodutibilidade de suas características. Um segundo motivo chave é o reconhecimento que diferentes critérios, daqueles usados para materiais dúcteis, são necessários quando se projeta o uso de materiais duros, frágeis como os cerâmicos. Tem sido crucial desenvolver métodos de testes que produzam valores “verdadeiros” para propriedades que possam ser usadas em cálculos críticos de projeto. Outros testes mais comuns são apropriados somente para julgamentos envolvendo controle de qualidade. Uma das razões para a formação da Associação Americana de Cerâmicas Avançadas foi a necessidade dos fabricantes trabalhar com novos procedimentos de testes adequados para cerâmicas avançadas. Para dar uma visão dentro do espectro de características especiais e aplicações sofisticadas das cerâmicas avançadas, três tipos importantes – cerâmicas estruturais, eletrônicas e óticas – serão discutidas aqui em algum detalhe.
Cerâmicas Estruturais
O termo cerâmicas estruturais é aplicado a materiais que possuem geralmente pequenos tamanhos de grãos, são virtualmente isentos de poros e possuem resistência à fratura muito alta, alta tenacidade à fratura e grande dureza. Esses materiais encontram aplicações como componentes em motores e outras máquinas, anteriormente feitos de ligas metálicas. Muitas vezes têm formas intrincadas, são leves porém resistentes. Essas cerâmicas geralmente trabalham sob condições de carregamento dinâmico, envolvendo tensões de tração e de impacto, e freqüentemente devem funcionar a altas temperaturas e em ambientes corrosivos. Elas não devem ser confundidas com os produtos estruturais de argila que, apesar de usados como materiais de construção com importantes implicações como suporte de carga, são de estrutura grosseira, bem porosos e utilizados na sustentação de cargas compressivas estáticas em estruturas relativamente estacionárias e em ambientes não nocivos. Da mesma forma, as cerâmicas estruturais não devem ser confundidas com refratários pesados usados primariamente em aplicações de suporte de cargas compressivas em temperaturas elevadas, embora exista uma tendência crescente para se fazer usos de cerâmicas estruturais em lugares antes ocupados por refratários mais convencionais, ou seja certas zonas mais requisitadas de fornos e vasos de processamentos. Os materiais de maior interesse como cerâmicas estruturais são carbetos de silício (SiC), nitreto de silício (Si 3 N 4 ), certos óxidos como a zircônia (ZrO 2 ) especialmente processados e uma variedade de compósitos de matriz cerâmica. No caso de carbeto de silício e nitreto de silício, os materiais puros não se sinterizam sob condições ordinárias, de modo que eles freqüentemente são prensados à quente (hot pressed ou hot-isostatic pressed), geralmente com aditivos que forneçam um pequena quantidade de fase líquida para assistir na obtenção de uma matriz com tamanho de grão refinado. Várias técnicas têm sido desenvolvidas para a conformação desses materiais sem quase nenhum encolhimento durante a sinterização ou quase nenhuma necessidade de usinagens depois da fabricação. Esse processamento é conhecido como near- net-shape-forming. Carbeto de silício (SiC): O chamado carbeto de silício ligado por reação (reaction bonded) é feito misturando-se pó de carbeto de silício com uma quantidade relativamente pequena de pó de carbono muito fino, compactando-se essa mistura para a forma desejada e em seguida aquecendo-se o compactado enquanto se infiltra nele silício fundido. O silício fundido reage com o carbono finamente granulado no interior do compactado para formar um carbeto de silício adicional, que serve para ligar os grãos de carbeto de silício originais. Após o resfriamento, o silício não reagido permanece como uma segunda fase que preenche poros na estrutura. Um material como esse, é na realidade um compósito de carbeto de silício e silício, e constitui um bom material cerâmico para uso abaixo da temperatura de fusão do silício. Nitreto de silício (Si 3 N 4 ): Pode-se também fabricar peças de nitreto de silício pelo método de ligação através de reação. Uma mistura de pós de nitreto de silício com pós de silício muito fino é prensado ou de outro modo conformado até formar um compactado poroso que é em seguida aquecido (abaixo da temperatura de fusão do silício) em atmosfera rica em nitrogêncio. O nitrogênio penetra dentro dos poros, onde reage com as partículas finas de silício e formam nitreto de silício adicional que age para ligar o resto de pó presente na peça compactada. O produto final tem uma porosidade residual, porém é bastante adequada para muitas aplicações estruturais. Exemplo de microestrutura de cerâmicas de nitreto de silício. A forma alongada de alguns grãos faz aumentar a tenacidade dessas cerâmicas.
breve descrição das características especiais que os tornam úteis para certas aplicações. Em muitos casos, existem também requisitos quanto as propriedades térmicas e mecânicas que devem ser satisfeitos.
Isoladores de Cerâmicas Tradicionais.
Muitos materiais cerâmicos são isolantes elétricos. Conseqüentemente têm sido usados durante anos com isoladores de corrente elétrica contínua e alternada de baixa freqüência, isoladores suspensos em linhas de transmissão de alta voltagem, bases de lâmpadas e chaveamentos. Esses isoladores têm sido tradicionalmente feitos de porcelanas a base de argilas e não são usualmente incluídas na categoria de cerâmicas avançadas. Por outro lado, a utilização de cerâmicas avançadas adequadas para aplicações exóticas estão crescendo muito rapidamente.
Isoladores Elétricos de Cerâmicas Avançadas
Os mais usados são as cerâmicas de alumina, Al 2 O 3 , berília, BeO, nitreto de alumínio, AlN, e uma gama de vidros especiais, incluindo aqueles que podem ser convertidos em formas cristalinas após conformação (vitro-cerâmicas). As propriedades elétricas mais importantes desses materiais isolantes são a condutividade muito baixa, baixa constante dielétrica (uma baixa tendência à polarização ou armazenar carga), uma alta resistência dielétrica (resitência à ruptura sob altas quedas de voltagem) e para aplicações de alta freqüência, baixas perdas dielétricas (baixa propensão para converter a energia no campo alternado em calor).
Substratos Eletrônicos:
Uma variedade de formas pode feita a partir de cerâmicas isolantes, muitas delas são tão intrincadas que podem ser feitas por moldagem por injeção ou prensagem isostática seguida de usinagem e acabamento. Uma aplicação especialmente importante de isolamento cerâmico é como substratos para deposição de circuitos de filmes espessos e finos. Os substratos são geralmente feitos de placas finas (uns poucos mm) por meio da tecnologia de "tape-casting" (colagem de fitas). Freqüentemente, dispositivos eletrônicos discretos tais como chips de silício ou capacitores discretos são fixados ao circuito formando o que é conhecido como circuitos híbridos. Também são usados substratos cerâmicos em multicamadas. Esses substratos de multicamadas são feitos por impressão de circuitos em fitas cerâmicas à verde - não sinterizadas - (fitas ou tapes - porque são feitas por tape-casting) usando tintas metálicas, empilhando-as uma sobre as outras, laminado-as para formar uma estrutura sanduíche e em seguida co-queimando a cerâmica e a tinta metálica para formar um único substrato de multicamadas.
Substratos em Multicamadas
Os circuitos elétricos sobre as diferentes camadas de uma estrutura em multicamadas são conectados em pontos apropriados por meio de furos preenchidos por metais, chamados de vias, nas camadas cerâmicas que precisam se conectar umas com as outras. Os substratos não somente suportam a distribuição dos circuitos como também funcionam como um meio para dissipar o calor gerado nos circuitos elétricos, absorvendo ou transferindo esse calor para um sistema de escoamento de calor
conctado a eles. Quando os substratos e seus circuitos elétricos associados são ajustados com as conexões externas e são encapsuladas para proteger os circuitos do ambiente atmosférico, diz-se que a montagem inteira é um pacote eletrônico (electronic package).
Dielétricos para Capacitores
Componentes Discretos - Os isoladores cerâmicos são também comumente usados como dielétricos em capacitores - isto é, como o material colocado entre as placas de um capacitor para servir como meio armazenador de carga. Qualquer material isolante pode ser usado nessa aplicação, mas é desejável se usar materiais que permitam a maior quantidade de carga armazenada (capacitância) no menor dispositivo possível. Essa consideração significa que deve-se usar materiais com alta constante dielétrica. Além dessa alta constante dielétrica, um dielétrico usado em capacitores deve ter alta resitência dielétrica, baixas perdas dielétricas e exibir mínimas variações nessas propriedades com a temperatura e/ou voltagem. O grupo mais importante dos materiais dielétricos cerâmicos consiste de combinações do titanato de bário (BaTiO 3 ) com uma variedade de outros óxidos usados para modificar suas propriedades fundamentais. Os dielétricos usados em capacitores são freqüentemente fabricados na forma de pequenos e finos discos ou como tubos ocos de finas paredes, com uma camada metálica depositada sobre cada lado por técnicas de filmes espessos.
Chip Capacitor
Chip com larga escala de Integração - Vista interna do Integrado Uma forma muito importante, e que está crescendo rapidamente, de capacitor cerâmico de alta capacitância, chamado "chip Capacitor", é feito por um processo similar ao usado para substratos cerâmicos multicamadas. Tiras muito finas de dielétricos a base de titanatos são produzidos por "tape casting ", e um modelo (pattern) de eletrodos é impresso sobre um dos seus lados. Muitas camadas de fitas são então empilhadas umas sobre as outras e laminadas juntas.
Como Supercondutores
Uma tremenda quantidade de interesse tem sido focalizado sobre um grupo de materiais cerâmicos especiais que funcionam como supercondutores em "altas temperaturas". Os supercondutores têm características extraordinárias por apresentarem resistência elétrica nula e repelirem completamente campos magnéticos. (Esse último efeito é chamado efeito Meissner). A primeira característica promete a substituição dos condutores comuns para garantir mais eficiência na transmissão de eletricidade e também a capacidade de construção de magnetos muito mais poderosos (sendo este o principal uso dos supercondutores atualmente). O efeito Meissner tem despertado grande interesse como um meio possível de levitação magnética de veículos, especialmente trens, para eliminar virtualmente todo atrito de trilhos e portanto permitir maiores velocidades e grandemente reduzir o consumo de potência. Todo material "supercondutor" reverte-se para "comum" acima de uma certa temperatura crítica. Entre a descoberta do fenômeno da supercondutividade em 1911 e 1986, um número de elementos metálicos e compostos têm sido verificados apresentarem o comportamento supercondutor, porém todos eles têm temperaturas extremamente baixas, com requisito de resfriamento em nitrogênio líquido ou mesmo hélio liquefeito para manter a supercondutividade; esse requisito (sistemas de resfriamentos grandes e caros) tem limitado a utilização prática de materiais supercondutores. Assim, em 1986, um material cerâmico (realmente um óxido complexo de cobre, bário e lantânio) foi descoberto com uma temperatura crítica de 40K. O tremendo surto de interesse na investigação de composições cerâmicas similares resultou na descoberta em 1987 de um material com uma temperatura crítica tão alta quanto 90K. Desde então um número de óxidos cerâmicos supercondutores têm sido produzidos, a maioria deles contendo cobre, um alcalino terroso (tal como Sr ou Ba) e uma terra rara (tal como Y ou La). Tais condutores "supercondutores" oferecem a possibilidade mais barata de resfriamento com nitrogênio liquefeito. O paço dessas descobertas tem dado esperança de que um dia um material supercondutor possa ser encontrado com uma temperatura crítica tão alta quanto a temperatura ambiente (cerca de 300K), que não precisasse de nenhum resfriamento para permanecer como supercondutor. Muita pesquisa continua na direção de produzir materiais com temperaturas críticas mais e mais altas, porém a temperatura ambiente está ainda muito acima das maiores temperaturas críticas conhecidas até hoje.
A maior parte dos usos potenciais de supercondutores requerem que o material esteja sob a forma de fios finos, uma forma bastante difícil de se produzir um material frágil como são os óxidos. Conseqüentemente, um grande esforço de pesquisa nesses materiais está concentrado em novas tecnologias de fabricação.
Como Ferritas
Existem três família de cerâmicas avançadas que encontram aplicações por causa de suas especiais propriedades magnéticas; esses materiais são chamados de ferritas. As ferritas espinélicas (estrutura cristalina típica dos espinéis - grupo de minerais do tipo AB 2 O 4 onde A é um metal ou mistura de metais divalentes, tais como Mg, Zn, Mn, Co, Ca, Cu, Ba, Ni, Sr e B é um metal trivalente, tal como o Al, Fe (íon férrico), e Cr). As ferritas espinélicas são conhecidas como materiais magnéticos "moles" , significando que é fácil reverter a direção de magnetização delas com um pequeno campo magnético aplicado. As ferritas espinélicas têm a fórmula geral MO.Fe 2 O 3 , onde M é um metal divalente tal como o Ni, Zn, Mg, Mn, Fe ou Co. As ferritas moles são usadas usualmente em núcleos de transformadores ou indutores de baixas perdas, onde suas baixas condutividades elétricas
monocristalina (sendo o quartzo o exemplo mais comum), somente o grupo de materiais cerâmicos conhecido como ferroelétricos (titanatos e zirconatos que exibem polarização elétrica espontânea, histerese elétrica e piezoeletricidade) podem apresentar a piezoeletricidade facilmente na forma policristalina. O material cerâmico ferroelétrico mais importante é o titanato de bário (BaTiO 3 ), o zirconato titanato de chumbo (várias combinações de PbTiO 3 e PbZrO 3 , também designados cerâmicas PZT), e zirconato titanato de chumbo dopado com lantânio (também designado como cerâmicas PLZT).
Cerâmicas Óticas ou Fotônicas
Para melhor apreciar como as cerâmicas eletro-óticas funcionam, é necessário se considerar a natureza da luz e de sua interação com dielétricos e semicondutores. A palavra fotônica tem sido usada para descrever o coletivo de propriedades óticas dos materiais e a aplicação dessas propriedades para torná-los dispositivos de úteis e um controle cuidadoso e entendimento melhor das propriedades dos materiais tem levado ao desenvolvimento de cerâmicas eletro- óticas. Materiais com banda de energia proibida (gap) larga, tais como as cerâmicas isolantes, são inerentemente transparentes à luz na extensão de comprimentos de onda próximos ao visível, contanto que elas não contenham heterogeneidades internas que possam servir como sítios espalhadores de luz, os quais servirão para reduzir a transparência para translucidez ou até mesmo para uma total opacidade. Consequentemente, monocristais cerâmicos, vidros isentos de poros podem ser utilizados em aplicações fotônicas que requerem feixes de luz transmitida. Se dizer que um material é transparente não significa que o material não interaja com a luz que o atravessa. Por exemplo, a velocidade com que ondas de luz viajam varia de material para material, tendo o seu valor mais alto no vácuo (essa velocidade senda a constante universal c=3.00 x 10^8 m/s). Em todos os outros meios a luz viaja mais lentamente que c, com a razão de c para a velocidade real no material sendo chamada de ïndice de refração do material. Um feixe de luz irá curvar-se ao passar de um material para outro que tenha um índice de refração diferente. Esse princípio é usado quando lentes provocam a focalização ou divergência de feixes de luz. Na maioria dos materiais, esse comportamento é chamado de dispersão, e fundamenta a separação de diferentes comprimentos de onda a partir de um feixe de luz em diferentes quantidades de curvatura. As ondas de luz que constituem um feixe de luz oscila perpendicularmente à direção de propagação do feixe. Sob condições normais, as oscilações são aleatoriamente orientadas em volta da direção de propagação. Entretanto, alguns materiais são capazes de modificar o feixe de luz que os atravessa, de modo que somente certas direções de oscilação passa. Esse fenômeno é chamado de polarização e aplicações muito importantes de luz requerem ou utilizam o fenômeno de polarização. Por exemplo, se um feixe de luz com uma certa polarização incide sobre um material que somente transmite a luz de uma polarização diferente, esse material efetivamente bloqueará a passagem do feixe.
Enciclopédia Britânica: Cerâmicas Óticas
Optical materials derive their utility from their response to infrared, optical, and ultraviolet light.
The most obvious optical materials are glasses, but ceramics also have been developed for a number
of optical applications. This article surveys several of these applications, both passive (e.g.,
windows, radomes, lamp envelopes, pigments) and active (e.g., phosphors, lasers, electro-optical
components).
Passive devices
OPTICAL AND INFRARED WINDOWS
In their pure state, most ceramics are wide-band-gap insulators. This means that there is a large gap
of forbidden states between the energy of the highest filled electron levels and the energy of the
next highest unoccupied level. If this band gap is larger than optical light energies, these ceramics
will be optically transparent (although powders and porous compacts of such ceramics will be white
and opaque due to light scattering). Two applications of optically transparent ceramics are
windows for bar-code readers at supermarkets and infrared radome and laser windows.
Safira azul, espécie natural.
transparent to translucent, natural or synthetic variety of corundum (q.v.; aluminum oxide, Al2O3)
that has been highly prized as a gemstone since about 800 BC.
Corundum, da espécie safira.
Sapphire (a single-crystal form of aluminum oxide, Al 2 O 3 ) has been used for supermarket
checkout windows. It combines optical transparency with high scratch resistance. Similarly, single-
crystal or infrared-transparent polycrystalline ceramics such as sodium chloride (NaCl), rubidium-
doped potassium chloride (KCl), calcium fluoride (CaF), and strontium fluoride (SrF 2 ) have been
used for erosion-resistant infrared radomes, windows for infrared detectors, and infrared laser
windows. These polycrystalline halide materials tend to transmit lower wavelengths than oxides,
extending down to the infrared region; however, their grain boundaries and porosity scatter
radiation. Therefore, they are best used as single crystals. As such, however, halides are
insufficiently strong for large windows: they can plastically deform under their own weight. In
rare-earth elements. Absorption of certain wavelengths of light by these species imparts specific
colours to the compound. For example, cobalt aluminate (CoAl 2 O 4 ) and cobalt silicate (Co 2 SiO 4 )
are blue; tin-vanadium oxide (known as V-doped SnO2) and zirconium-vanadium oxide (V-doped
ZrO 2 ) are yellow; cobalt chromite (CoCr 2 O 3 ) and chromium garnet (2CaO Cr 2 O 3 3SiO 2 ) are green;
and chromium hematite (CrFe 2 O 3 ) is black. A true red colour, unavailable in naturally occurring
silicate materials, is found in solid solutions of cadmium sulfide and cadmium selenide (CdS-
CdSe).
Powdered pigments are incorporated into ceramic bodies or glazes in order to impart colour to the
fired ware. Thermal stability and chemical inertness during firing are important considerations.
Active devices
PHOSPHORS
Ceramic phosphors are employed for both general lighting (as in fluorescent lights) and for
electronic imaging (as in cathode-ray tubes). Phosphors function when electrons within them are
stimulated from stable, low-energy positions to higher levels by an appropriate means--e.g.,
thermal, optical, X-ray, or electron excitation. When the energized electrons drop back to lower
energy levels, light can be emitted at one or more characteristic wavelengths. These wavelengths
are determined by controlled dopants, referred to as activators. Examples of activated phosphors
(and their resulting colour emissions) are lead-activated calcium tungstate (blue), manganese-
activated zircon (green), lead- or manganese-activated calcium silicate (yellow to orange),
europium-activated yttrium vanadate (red). There are countless other examples. Two major
applications of phosphor ceramics are in cathode-ray tubes (CRTs) for television sets and computer
monitors. Thin layers of phosphor powders are applied to the inside of the display screen of CRT.
Electrons are accelerated from the cathode toward the screen, directed by magnetic coils. Light
emission (phosphorescence) occurs wherever the electron beam strikes the phosphor layer, and
images are formed by high-speed scanning of the electron beam over the surface of the screen.
Colour screens employ interspersed small dots of phosphors of each of the three primary colours
(red, yellow, and blue), with separate electron beams to address each colour.
Efficient indoor lighting is usually accomplished by fluorescent lamps. Phosphors of a suitably
doped calcium halophosphate are deposited as thin powder layers on the inner surfaces of thin-
walled glass tubes. The tubes are evacuated and backfilled with a mixture of mercury vapour and
an inert gas. An electric discharge through the gas causes the mercury vapour to emit energy in the
ultraviolet range, which strikes the phosphor layer and stimulates visible light emission. The
resulting combination of blue and orange emission is comparable to that of incandescent lamps.
Phosphors must be manufactured by clean-room methods in order to eliminate unwanted impurities
that can "kill" phosphorescence.
LASERS
Figure 2: Ruby laser being used in a Q-switch, a special switching device that produces Giant
output pulse.
Os lasers são dispositivos capazes de produzirem feixes de luz muito intenoso todos com o mesmo
comprimento de onda e em fase. O nome laser é um acronismo –palavra resultante da junção das
primeiras letras de cada uma das partes de uma locução - para "light amplification by stimulated
emission of radiation,".
Lasing takes place in various media, including glasses and single-crystal ceramics. The first laser,
operated by Theodore H. Maiman in 1960, consisted of a rod of synthetic ruby (single-crystal
Al2O3 doped with chromium) that was excited by a flash lamp. (See Figure 2.) Excitation, or
pumping, involves promoting electrons within the dopant centres to higher energy levels by
optical or electronic means. The decay of the stimulated electron to a lower energy state yields
emission of light, which is contained within the lasing solid between two mirrors (one completely
silvered and one partially silvered). As the emitted light reflects back and forth, it stimulates other
centres until an intense, coherent, narrow beam of monochromatic light is released. Two well-
known ceramic lasing materials are the chromium-doped Al2O3 known as ruby and a neodymium-
doped yttrium aluminum garnet known as Nd-YAG.
Laser – amplificação de luz por emissão de radiação estimulada.
Lasers de intensidade muito alta podem ser usados para aquecimento e fusão localizada porém
certos tipos de lasers podem ser usados para produzirem sinais de luz modulados muito puros e
dessa forma são adequados para gerarem feixes codificados usados nos sistemas de comunicações
por fibras óticas.
Para funcionarem os lasers precisam ser “bombeados”- ou seja, é requerida uma entrada de energia
para promover elétrons dos centros dopantes para níveis mais altos de energia que quando voltam
para um estado de energia mais baixo produzem a emissão de luz, confinada entre dois espelhos
(um completamente e outro somente parcialmente prateado) dentro do sólido laser. Enquanto a luz
reflete para frente e para trás dentro do laser ela mesmo estimula outros centros até que uma luz
muito intensa, coerente e praticamente monocromática é liberada. Dois materiais cerâmicos
produtores da ação laser bem conhecidos são a Alumina dopada com Cr conhecida como rubi e um
garnet de alumínio ítrio dopado com neodímio conhecido como Nd-YAG.
ELECTRO-OPTICAL COMPONENTS
Electro-optical ceramics are materials that combine optical transparency with voltage-variable
optical, or electro-optical (EO), behaviour. Single-crystal EO materials include lithium niobate
(LiNbO3) and lithium tantalate (LiTaO3); polycrystalline EO materials include a lanthanum-
modified lead zirconate tantalate known as PLZT. Among other EO properties, these materials
exhibit voltage-dependent birefringence. Birefringence is the difference between the refractive
index parallel to the optical axis of the crystal and the refractive index perpendicular to the optical
axis. Because the propagation velocity is different in the two directions, a phase shift occurs, and
this phase shift can be varied by an applied voltage. Such EO behaviour is the basis of a number of
optical devices, including switches, modulators, and demodulators for high-speed optical
communications. EO ceramic thin films also can be integrated with silicon semiconductors in so-
called optoelectronic integrated circuits (OEICs).
Alguns vidros que sofreram tratamentos térmicos de alívio de tensão e muitos cristais são
oticamente isotrópicos, isto é o índice de refração é o mesmo independentemente da direção do
feixe de luz. Entretanto, certos tipos de cristais vão dividir o feixe de luz incidente em dois feixes
o vidro deve ser extremamente puro e isento de inclusões. Para prevenir fuga de luz pelas laterais
das fibras, elas são usualmente fabricadas com um núcleo (core) central de vidro com índice de
refração mais baixo que o índice de refração do material que o envolve (cladding). A diferença de
índices de refração provoca uma reflexão perfeita dos feixes de luz que incidem na interface,
garantindo dessa forma que toda a luz que atravessa o núcleo da fibra permanecerá lá não
importando o quanto possa ser curvado um cabo de fibra ótica.
Nas telecomunicações, as fibras óticas estão substituindo os cabos metálicos para a transmissão de
chamadas telefônicas. Cada voz da pessoa que está ao telefone é mudada em sinal digital e usada
para fazer com que a luz de um laser ligue e desligue milhares de vezes a cada segundo. Na
medicina, as fibras óticas permitem que os médicos olhem dentro do corpo humano sem a
necessidade do uso de cirurgias. As fibras óticas são muito finas e podem ser inseridas dentro do
corpo para transmitir a imagem do estômago por exemplo para fora até atingir a ocular no terminal
do instrumento. Um cabo de fibra ótica pode conter até 2000 finos fios de vidros.
Lasers pulsados são usualmente bombeados (estimulados) por meio de um flash altamente brilhoso
de luz.; esses lasers são geralmente feitos de vidros especialmente dopados ou de monocristais de
Al2O3 dopado com Cr (laser rubi) ou de granadas (garnets) de alumínio ítrio dopados com
neodímio (Nd-YAG). Outros tipos de lasers podem fornecer saídas contínuas dessa forma devem
estar sendo continuamente estimulados, o que frequentemente ocorre por meio de energia elétrica.
Um tipo especialmente interessante de laser contínuo pode ser feito a partir de um cristal
semicondutor ou isolante que tenha sido seletivamente dopado para dar origem a uma junção pn.
Quando uma voltagem elétrica dc (dc-direct current – corrente contínua) é aplicada atraves dessa
junção em uma direção que tenda a forçar a passagem de elétrons para a direção do lado p e buracos
na direção do lado n (polarização direta – forward biasing), a recombinação do excesso de elétrons
e buracos na região da junção vai liberar fótons de luz provocando a emissão de um brilho na
junção. Quando a entrada elétrica for pequena, as ondas de luz geradas não estarão em fase, e a
junção brilhosa é chamada de diodo emissor de luz (LED-light-emitting diosde). Os LEDs são
dispositivos populares usados em vários displays eletrônicos. Quando a entrada elétrica for grande,
e outros requisitos geométricos forem atendidos, a luz emitida pela junção será intensa e em fase, a
magnitude da luz emitida variará com a magnitude do sinal elétrico, e o comportamento lasr
também “desliga-se” precisamente quando o sinal de estímulo cair até um certo nível.
Consequentemente os diodos lasers são particularmente bem apropriados para conversão de sinais
elétricos em feixes moduladores de luz e dessa forma são especialmente valiosos como geradores de
sinais nos sistemas de comunicação por fibras óticas. No terminal receptor de um sistema de
comunicação por fibra ótica, deve existir um detetor capaz de receber um feixe modulado de luz e
converte-lo de volta em um sinal elétrico. Um diodo de junção pn desempenhará essa função se
uma voltagem contínua (dc) uniforme for aplicada de tal forma que tenda a mover elétrons para o
lado n e buracos para o lado p (polarização reversa). Uma luz absorvida na região de junção do
diodo como esse vai gerar elétrons e buracos que serão varridos para fora da junção pela voltagem
de polarização (biasing voltage), resultando em um sinal elétrico proporcional à intensidade da luz
absorvida. Dessa forma, o sistema de comunicação de fibra ótica mais simples deve Ter um diodo
laser com sua saída controlada por um estímulo de sinal elétrico modulado acoplado a um terminal
da fibra e um diodo detetor acoplado ao outro terminal. Na prática real, repetidores são também
necessários a intervalos regulares ao longo da fibra para corrigir inevitáveis atenuações de
intensidade ao longo dos comprimentos dos cabeamentos de fibras óticas.
Materiais eletro-óticos transparente e policristalinos, como as cerâmicas de PLZT (titanato
zirconato de chumbo dopado com lantânio), podem ser usados em uma variedade de dispositivos
nas quais a transmissão de um feixe de luz é limitada ou controlada pela mudança nas
características óticas do material com um campo elétrico aplicado. O uso inclui janelas que se
escurecem rapidamente quando for necessário protegerem pilotos ou outras pessoas de feixes
intensos como os de uma explosão nuclear ou de uma arma a laser, para óculos de soldador,
displays óticos e mesmo dispositivos de armazenagem de imagens. Sempre que uma cerâmica
policristalina for projetada para uso como material transparente, muito cuidado deve ser tomado
com o processamento cerâmico, começando com a escolha correta das matérias primas até com a
execução das etapas de conformação e sinterização usando técnicas mais adequadas para eliminar
poros e inclusões espalhadoras de luz. Não é incomum utilizar-se prensagem a quente de tais
cerâmicas para assegurar a ausência de porosidade.
