Vidro para smartphones: a engenharia encontra um material “tradicional”
Desde o lançamento do novo iPhone 12 tem se falado muito sobre o inovador vidro com cristais nano-cerâmicos, rebatizado de Ceramic Shield pela Apple, com o qual a empresa de Cupertino queria decretar sua supremacia na área de vidros para smartphones. No entanto, este foi apenas o mais recente de uma longa série de avanços tecnológicos ocorridos nos últimos anos no campo do vidro para produtos eletrônicos de consumo. Uma das líderes na produção de vidros de alta tecnologia é a americana Corning®, conhecida por seus vidros reforçados Gorilla Glass® e pelo Pyrex®, o icônico vidro de borosilicato com alta resistência a choques térmicos também utilizado em pratos de forno.
Pesquisa realizada pela Corning mostrou que os consumidores acreditam que a durabilidade é o principal fator de compra de um smartphone depois da marca . Afinal, quem nunca experimentou o infeliz inconveniente de danificar a tela de seu celular? Talvez até comprado recentemente. Por esse motivo, os esforços voltados para o aumento da resistência das telas a choques e arranhões têm aumentado exponencialmente e com eles a complexidade dos materiais utilizados para atingir essa finalidade.
Vidro para smartphone: é mesmo um material frágil?
Quando se pensa em vidro, imagina-se, erroneamente, um material intrinsecamente "frágil" que dificilmente resiste a qualquer tipo de estresse mecânico. Você ficará surpreso em saber que a resistência teórica do vidro, ou seja, aquela calculada com base nas ligações químicas dentro do material, é em torno de 40 GPa. Para se ter uma ideia do que é 40 GPa, saiba que um aço de alta resistência tem uma resistência mecânica de “apenas” 1-3 GPa! Porém, na realidade, o vidro não possui essas características mecânicas: sua resistência real é bem inferior à de um aço. Isso se deve à baixa tenacidade à fratura do vidro, que é em torno de 1 Mpa m 1/2 contra 20-120 Mpa m 1/2 de um aço.
Você pode interpretar essa propriedade do material como sua sensibilidade à presença de defeitos: quanto menor a tenacidade à fratura, mais cai a resistência mecânica do material em comparação com a teórica na presença de defeitos até microscópicos. Por exemplo, considerando um vidro moderno para dispositivos inteligentes com uma resistência à fratura de 0,75 Mpa m 1/2 com um risco na superfície de um décimo de milímetro, sua resistência à tração mecânica cai para 84 MPa, apenas 0,21% do teórico ! Por isso, evitar a formação de defeitos durante os processos de fabricação do vidro, bem como aumentar a resistência ao risco do mesmo, é fundamental para prolongar a vida útil de nossos dispositivos eletrônicos .
Resista a arranhões
Para aumentar as chances de sobrevivência das telas em nossos dias agitados é necessário limitar a formação de defeitos que possam comprometer sua resistência. Felizmente, a dureza do vidro entra em jogo aqui, o que não tem nada a invejar aos aços, já que está em torno de 6 GPa (dureza Vickers). A dureza é uma propriedade mecânica que expressa a resistência à penetração de um material, ou equivalente, à deformação plástica localizada. Simplificando, pense que o material mais duro afeta o menos duro. Portanto, em princípio, qualquer objeto que entre em contato com o seu telefone terá que ser mais duro do que o vidro para danificá-lo por gravação.
Uma escala de dureza raramente utilizada na área técnica, mas muito útil para a compreensão do conceito, é a escala de Mohs. Esta escala de dureza é baseada em um teste simples “o que afeta o quê” para classificar os materiais testados. Muitos objetos comuns têm uma dureza de Mohs de menos de 5-6 do vidro temperado, então as teclas dificilmente arranharão seu smartphone brilhante de última geração.
O vidro do smartphone quimicamente reforçado
Mesmo no melhor dos casos, o vidro nunca é "à prova de arranhões" e, portanto, sempre haverá uma certa probabilidade de ter um defeito que pode prejudicar a resistência da tela do smartphone. Então, como resolver o problema? A resposta é a temperatura do vidro. Como já explicado em outro artigo , o vidro pode ser reforçado de duas maneiras: com têmpera térmica e com têmpera química. Ambos resultam na formação de uma camada de tensões compressivas na superfície do material, que atua contra a propagação de trincas na presença de tensões mecânicas. O resultado final do tratamento é, portanto, uma tenacidade à fratura aprimorada com a consequente menor sensibilidade aos defeitos e maior resistência mecânica.
No vidro destinado a telas, as espessuras são muito pequenas e consequentemente a única opção prática é o endurecimento químico que permite obter camadas de compressão muito finas. O endurecimento químico ocorre através do processo de troca iônica em que o vidro é imerso em uma solução contendo nitrato de potássio (KNO 3 ) a fim de forçar a troca dos íons sódio Na + contidos no vidro pelos íons potássio K + fornecidos pela a solução.
Como o tamanho dos íons de potássio é 37% maior do que o dos íons de sódio, uma tensão compressiva é gerada no vidro devido à deformação de sua estrutura. Você pode imaginar o processo como se estivesse tentando substituir algumas pessoas (íons de sódio) por jogadores de rúgbi (íons de potássio) em um ônibus na hora do rush, com certeza todos estariam mais apertados.
Artigo por Axel Baruscotti
O artigo do Glass para smartphones: a engenharia encontra um material “tradicional” vem da Tech CuE .
