Cerâmicas refratárias microporosas em isolamento térmico de altas temperaturas: Ciência, tecnologia, inovação e sustentabilidade

Rafael Salomão é Livre-Docente e Professor Associado da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), Universidade de São Paulo (USP), Departamento de Engenharia de Materiais (SMM). É Engenheiro de Materiais e Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos, com Pós-Doutorado na Universidade de Aveiro (Portugal). Atua nos cursos de bacharelado em Engenharia de Materiais e Manufatura e Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da EESC (Conceito 6 na CAPES), do qual atualmente é o Coordenador. É Bolsista de Produtividade Nível E do CNPq, membro da Diretoria da Associação Brasileira de Cerâmica (ABCeram) e Editor Associado da revista Cerâmica. É autor ou co-autor de mais de 100 artigos publicados em periódicos de seletiva política editorial. Seu Grupo de Pesquisa “Soluções Integradas em Manufatura e Materiais Cerâmicos (SIMMaC)” tem como principais linhas de pesquisa a) cerâmicas refratárias microporosas para isolamento térmico em altas temperaturas, b) aditivos, processamento e caracterização de suspensões cerâmicas, c) síntese e processamento coloidal de partículas cerâmicas. https://sites.google.com/sc.usp.br/rafaelsalomao/. Link para Currículo Lattes: http://lattes.cnpq.br/6005194561707106.

Dr. Rafael Salomão is Associate Professor at São Carlos School of Engineering (EESC), University of São Paulo (USP), Materials Engineering Department (SMM). He earned his Ph.D. in Materials Science and Engineering from Federal University of São Carlos (UFSCar, Brazil) and his Full-Professorship from São Carlos School of Engineering (EESC, Brazil). He is Associate Editor of Cerâmica (Brazil) and member of Directing Boar of Brazilian Association of Ceramics (ABCeram) and authored or co-authored more than 100 papers in journals of selective editorial policy. His Research Group “Integrated Solutions in Manufacture of Ceramic Materials” works mainly in a) microporous refractory ceramics for high-temperature thermal insulation; b) additives, processing, and characterization of ceramic suspensions; c) synthesis and colloidal processing of ceramic particles. https://sites.google.com/sc.usp.br/rafaelsalomao/. Link for Lattes CV: http://lattes.cnpq.br/6005194561707106.

Rafael Salomão
Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo

Resumo

Atividades humanas que utilizam calor e altas temperaturas para produzir ou transformar matérias primas consomem cerca de 40 % de toda a energia produzida no mundo. Processos industriais como aqueles encontrados nas indústrias petroquímicas, siderúrgicas, fundições, metal-mecânica e cimento-cal, são responsáveis por uma fração significativa das emissões de gases de efeito estufa (por volta de 38 % do CO₂ produzido anualmente). Nesses casos, equipamentos operam em temperaturas entre 500ºC e 2000ºC e requerem proteção especial contra perdas de calor. Utilizar mecanismos de isolamento térmico mais eficientes representa, portanto, uma excelente estratégia para reduzir o consumo de combustíveis e ampliar a sustentabilidade desses processos. A união de materiais cerâmicos com uma fase gasosa resulta em estruturas porosas e microporosas que combinam elevada refratariedade, resistência química e grande capacidade de isolamento térmico. Nas últimas décadas, importantes avanços tecnológicos foram obtidos na aplicação de cerâmicas porosas em isolamento térmico de alta temperatura, como, por exemplo, placas monolíticas microporosas, tintas de alta emissividade e mantas de fibras cerâmicas biosolúveis. Este trabalho apresentará uma visão geral das estratégias para isolamento térmico em alta temperatura (acima de 500°C), os principais mecanismos físicos e sistemas cerâmicos envolvidos, traçando correlações entre a microestrutura, propriedade e as aplicações de cada tipo de isolante térmico cerâmico, além de algumas idéias para o futuro próximo.

Abstract

Human activities that employ heat and high temperatures to produce or transform raw materials consume about 40 % of all energy produced worldwide. Industrial processes, such as those found in petrochemical, steelmaking, foundry, metalworking, and cement-lime industries are responsible for a significant fraction of greenhouse gas emissions (around 38% of CO₂ produced annually). In these cases, equipments operate at temperatures between 500ºC and 2000ºC, requiring special protection against heat loss. Using more efficient thermal insulation mechanisms, therefore, represents an excellent strategy to reduce fuel consumption and enhance the sustainability of these processes. The combination of ceramic materials with a gaseous phase results in porous and microporous structures that combine high refractoriness, chemical resistance, and great thermal insulation capacity. In recent decades, significant technological advances have been made in the application of porous ceramics in high-temperature thermal insulation, such as monolithic microporous plates, high emissivity coatings, and bio-soluble ceramic fiber blankets. This work will present an overview of strategies for high-temperature thermal insulation (above 500°C), the main physical mechanisms and ceramic systems involved, drawing correlations between microstructure, property, and the applications of each type of ceramic thermal insulator, as well as some ideas for the near future.